Biocombustibles derivados del maíz

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Boletín IIE
enero-marzo-2012
Artículo de investigación
Biocombustibles derivados del maíz
José Luis Arvizu Fernández
Artículo publicado originalmente en el libro: “El cultivo del
maíz, temas selectos”, de la editorial Mundi-Prensa, 1a. edición,
noviembre de 2011.
Abstract:
The biofuels can be obtained from the biomass, are liquid, solid or gaseous from matter of vegetal
or animal origin, by biological, chemical or physical processes and combinations of them. The
biofuels appear as an alternating fuels in the transport sector, mainly due to the positive impact
of greenhouse gases effect (GHG) and to the increase of oil prices. In theory the use of bioethanol
and the biofuels, they not have CO2 emissions since this it is absorbed in the same amount by the
cultures that generate them, as the corn or sugar cane. Our country is deficit in the food production, mainly in corn, grain that can offer the opportunity us, not only to continue being the base
of the national feeding, but also the raw material to produce bioethanol. The national yields are
so diverse that they resemble to those of EUA or Africa, without a doubt this is indicative that is
due to devise the way of increase the yields of this appraised culture, reach in average the six tons
by hectare, improving the culture practices and access to fertilizers, water, transport, transparent
markets and right prices.
Artículo de investigación
Biocombustibles derivados de maiz
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Introducción
La entrada en vigor del Protocolo de
Kyoto y el repunte en los precios internacionales del petróleo han llamado la atención de la comunidad internacional, en el
desarrollo de combustibles limpios como
los llamados biocombustibles. El uso de
los hidrocarburos en el siglo pasado ha
dado lugar a la emisión de más de 260 mil
millones de toneladas de carbono emitido
a la atmósfera, de las cuales 19 países
contribuyeron con el 82.8%. México
emitió en ese período el equivalente al
1% de las emisiones totales y lo ubican en
el lugar 15 como emisor histórico [1]. El
cultivo de maíz, por sus características de
alta eficiencia de conversión de recursos y
alto rendimiento por hectárea, es uno de
los cultivos más aptos para la producción
de almidón y biocombustibles.
Producción de granos y
maíz
Los principales países productores de
maíz son los Estados Unidos con 282
millones de toneladas, China con 139
millones, la Unión Europea con 48
millones, Brasil con 41 millones y México
con 19.2 millones de toneladas, que
representan el 2.8% del total mundial.
Estados Unidos ha incrementado en
los últimos años, el porcentaje de su
producción de maíz para la producción de
bioetanol, como se muestra en la figura 1.
Las exportaciones mundiales de maíz equivalen al 11.9% de la producción, es decir,
83 millones de toneladas anuales con un
crecimiento promedio anual de 1.5%. En
Figura 1. Porcentaje de maíz destinado en Estados Unidos a la producción de Bioetanol [15].
este sentido, las exportaciones de Estados
Unidos fueron de 56.2 millones de toneladas, de Argentina de 10.7 millones, y
China de 3.7 millones de toneladas.
En cuanto a importaciones, México
es el tercer país importador, con 6.8
millones de toneladas, después de Japón
y la República de Corea que importan
16.6 y 8.5 millones de toneladas de maíz
respectivamente.
El maíz originario de México se produce
en todas las regiones agrícolas del país,
representa el principal alimento de los
mexicanos, con un consumo promedio
de 500 gr por persona por día. La
demanda interna en 2005 fue de 18.6
millones de toneladas para consumo
humano, 4.6 millones de toneladas para
consumo pecuario y 3.7 millones de toneladas para consumo industrial.
Procesos de producción de
bioetanol
Para la producción de bioetanol a partir
de maíz hay dos procesos principales:
la molienda en seco y la molienda en
húmedo (figura 2). La molienda húmeda
es un proceso donde el grano de maíz
se debe separar en sus componentes,
con la ventaja que se obtienen subproductos de mayor valor agregado. En la
molienda húmeda solamente el almidón
se fermenta, mientras que en la molienda
seca se fermenta el puré entero.
Hay dos subproductos principales del
proceso: el anhídrido carbónico (CO2) y
los granos destilados (DDGS). El anhídrido carbónico se limpia, se comprime
y se vende para ser usado como gasificante de las bebidas o para congelar
carne.
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Artículo de investigación
Tabla 1. Comparación del rendimiento
de aceite en diversos cultivos [18].
CULTIVO
Maíz
Palma de aceite
Palma de coco
Jatropha
Aguacate
Jojoba
Olivo
Cacahuate
Girasol
Soya
Productividad de
aceite (kg/ha)
145
5,000
2,260
1,590
2,217
1,528
1,019
890
800
375
Figura 2. Alternativas para la producción de bioetanol a partir de maíz.
Los DDGS contienen 27% de proteína,
11% de grasa y 9% de fibra, por lo que
se destinan a alimentación de ganado.
En 2005, los destilados de maíz desplazaron a 10 millones de toneladas de
maíz del mercado forrajero, la mayor
parte fue utilizada como alimento para
ganado bovino lechero un 45%, de carne
37%, aves 5% y porcino 13% (figura 5).
México es el principal importador de
DDGS.
11,000 millones de litros anuales de
aceite usado de cocina y cerca de 4,000
millones de litros de grasa animal [9].
El biodiesel se produce esterificando
de 80% a 90% de aceite vegetal o grasa
animal, con el 10% a 20% de metanol
o bioetanol y de 0.35% a 1.5% de sosa
como agente catalizador a temperatura
controlada. El biodiesel tiene un poder
calorífico de 10,604 kcal/lt, ligeramente
menor al poder calorífico del diesel de
petróleo [9].
Producción de biodiesel
En la tabla 1 se observa el rendimiento
de aceite de varios cultivos, como se
puede ver, el maíz es uno que comparativamente en kilogramos de aceite por
hectárea es el que menos rendimiento
tiene y que equivale a un 4% de rendimiento del peso del grano el cual, bajo
condiciones de manejo genético, se
puede llegar hasta 15%, equivalente al
rendimiento del girasol por ejemplo.
Existen más de 350 especies de plantas
oleaginosas como fuentes de aceite
vegetal base para el biodiesel, entre las
que se encuentra el maíz, con rendimientos de 145 kg de aceite/ha. Otras
fuentes de biodiesel son el aceite usado
para cocinar y las grasas animales. En
Estados Unidos se producen más de
Situación de los
biocombustibles en el
mundo
El uso mundial del bioetanol en el transporte ha crecido significativamente, de una
producción global de 2,000 millones de
litros en 1975, a 35,000 millones de litros
en 2005, de los cuales, el 45% fue producido a partir de caña de azúcar y el resto
a partir de maíz [11]. Desde 1975 Brasil,
con su programa Pro-alcohol, alcanzó una
producción de 17,800 millones de litros
de bioetanol de caña en 2006 y busca
aumentar en 2 millones de hectáreas sus
áreas de plantaciones de caña de azúcar
y expandir sus exportaciones de bioetanol
hacia China, la Unión Europea y Estados
Unidos [2]. Entre Brasil y Estados Unidos
de Norteamérica cubren el 93% de la
producción mundial de bioetanol. El
impacto actual en Estados Unidos es que
se incrementa el costo para la sociedad,
Artículo de investigación
Biocombustibles derivados de maiz
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de 0.5 a 1.1 centavos de dólar por galón de
gasolina, pero representa un incremento
de ingresos de los agricultores de $2,600
a $5,400 millones de dólares anuales [17].
Sin subsidios, el bioetanol de maíz está
condenado a estancarse y eventualmente a
desaparecer.
El Plan Maizar Etanol Argentino prevé
una inversión de US$ 2,000 millones
en la instalación de las plantas y otros
US$ 2,000 millones en el desarrollo de los
sistemas de transporte y almacenamiento
que requiere este producto. La actividad daría empleo directo a unas 5,000
personas y la propuesta incluye la instalación de entre 30 y 40 fábricas. La meta
principal es exportar 4,000 millones de
litros de bioetanol en los próximos cinco
años.
Europa, Japón, la India y China consumen
4,500 millones de litros al año. El compromiso de la Unión Europea fue el de
elevar el contenido de bioetanol del 2%
al 5.75% para el año 2010 en las gasolinas. La Unión Europea esperaba llegar
a 16,000 millones de litros de bioetanol en
el mismo año, en tanto que China espera
llegar a la misma cantidad pero en 2020,
ya que su producción actual es de 5,300
millones de litros anuales. Estos incrementos en la demanda global por etanol
pueden tener una influencia importante en
los precios internacionales de productos
como el maíz, el azúcar y otros productos
básicos [2].
El biodiesel ha sido investigado desde
mediados de la década de los ochenta en
28 países en todo el mundo. Hasta 1999
existían 85 plantas en 21 países, de las
cuales 45 plantas están en Europa Occidental y 29 en Europa Oriental, desta-
cándose 11 en Italia, y 16 en la República
Checa. En Estados Unidos hay 7 plantas,
2 en Japón, 1 en Nicaragua y 1 en Malasia
[9]. En Alemania existen más de mil estaciones de venta de biodiesel, donde se
emplea como combustible puro al 100%,
como combustible para calefacción o
como aditivo para el diesel de petróleo al
igual que en Italia.
En Estados Unidos, la mezcla B20 elaborada con 80% de diesel de petróleo y 20%
de biodiesel es muy popular entre los
transportistas, ya que reduce las emisiones
considerablemente, tiene un precio razonable y los vehículos de transporte de
carga y pasajeros no requieren modificaciones [9]. Brasil está produciendo
biodiesel a base de soya y aceite de ricino,
para exportación a la Unión Europea.
Situación de los
biocombustibles en México
El Congreso de la Unión aprobó y puso en
vigor la Ley para el Desarrollo y Promoción de los Bioenergéticos, la cual está
enfocada fundamentalmente hacia el bioetanol. Establece que las materias primas
como el maíz y la caña de azúcar podrán
emplearse como insumos para la producción de biocombustibles, siempre y cuando
existan excedentes en la producción. En
el caso del maíz, México es deficitario y
en el caso de la caña no hay infraestructura para la producción de bioetanol. Sin
embargo, existen grandes oportunidades
de aprovechar esta ley, que ha dado lugar
a programas como el de introducción de
los bioenergéticos y de los insumos para la
producción de los bioenergéticos, así como
para cultivos que no compitan directamente con la producción de alimentos. Lo
mismo sucede con las oleaginosas, donde
nuestro país importa el 90% del aceite para
su consumo no energético.
México produce 45 millones de litros
de bioetanol al año, pero consume 164
millones. El resultado es la importación
de más de 100 millones de litros de
bioetanol que no se usa como combustible
[4] sino en la industria química. Con el
auge del bioetanol en Estados Unidos,
han surgido varios proyectos en nuestro
país a partir de la caña de azúcar en
Veracruz y el maíz amarillo en la Barca
Jalisco y Sinaloa. Asimismo, en México se
consumieron en 2004, 100 millones de
litros por día de gasolina. De acuerdo con
proyecciones oficiales, para 2014 se espera
un consumo de 136 millones de litros por
día de gasolinas, de las cuales la mitad serán
importados.
Si se pretendiera obtener mezclas al 6%
etanol-gasolina, se requeriría una producción anual de bioetanol de 2,000 millones
de litros. Sólo considerando las zonas
metropolitanas de México, Guadalajara y
Monterrey, la cantidad anual de bioetanol
requerido es de 600 millones de litros. Para
producirlos se requieren 14.3 millones de
toneladas de caña, o 2.6 millones de toneladas de maíz amarillo, o una combinación
de ambos. Esto implica el cultivo de 160
mil hectáreas de caña o 750 mil hectáreas
de maíz amarillo de temporal, o 187 mil
hectáreas de maíz amarillo de riego [6,7].
Actualmente se siembran 800 mil hectáreas
de caña de azúcar para producir 5 millones
de toneladas de azúcar y 45 millones de
litros de bioetanol para usos tradicionales
[3] (figura 3).
En nuestro país ya existe la primera planta
piloto con fines comerciales desarrollada
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Artículo de investigación
Aspectos económicos de la
producción de bioetanol a
partir de maíz
Figura 3. Balance de energía del Bioetanol a partir de diferentes cultivos [21].
por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) Campus
Monterrey, en colaboración con la empresa Grupo Energéticos. El biodiesel es elaborado
a base de cebo de res, metanol y sosa cáustica [12]. Esta planta produce mensualmente de
300 a 500 mil litros de biodiesel en su etapa de arranque y la intención es comercializarlo
para el transporte urbano de la Ciudad de Monterrey. La planta puede producir más de 1
millón de litros de biodiesel mensuales [12]. Desde 2002, la Secretaría de Energía dio su
visto bueno al proyecto y precisó que por tratarse de un combustible de origen vegetal o
animal, el biodiesel no tiene restricciones legales para su explotación y su valor comercial
se estima menor al diesel derivado de petróleo [12].
Haciendo un análisis económico de
la producción del bioetanol a partir
de maíz, se observa que el costo de la
materia prima representa más del 65%
de los costos de producción por litro de
bioetanol, tal y como se muestra en la
tabla 2. El ejercicio que se resume en
dicha tabla corresponde, considerando
el escenario de que se quiere producir
el bioetanol para sustituir el 10.5% del
consumo de gasolina en nuestro país
para el año 2014, y que será importada,
ya que no será posible su producción
en el país. Como se puede apreciar, se
requieren inversiones del orden de los
2,300 millones de dólares y una superficie
sembrada con maíz de 1.2 millones de
hectáreas, con rendimientos de 6 toneladas de maíz por hectárea.
Tabla 2. Análisis de costos de la producción de etanol a partir de maíz.
Biocombustible
Bioetanol de maíz
%
Producción millones
l/d
10.5% del consumo
año 2014
Producción anual
millones de l/año
Rendimiento l/ha
Has Requeridas/año
1,498,893
Inversión millones de
dólares
18.5
6,775
4,520
Costo del litro por
inversión
$USD/litro
Costo del litro por
operación y mantenimiento (O&M)
$USD/litro
Costo
del
litro
por materia prima
(CLMP)
$USD/litro
0.0565
0.0955
0.2898
0.4418
0.4062
12.8
21.6
65.6
100
8**
Costo del litro
$USD/litro
2,950 [19]
Costo del* litro con
venta de DDGS
$USD/litro
Referencia 19: Tasa de descuento 12%, a 25 años.
CLMP = (Costo / Ton MP)/(Rendimiento Litros/Ton MP). (131 $ USD/Ton)/(452 Litros /Ton).
* Con ingresos por venta de destilado de grano (DDGS) a razón de $0.0356/litro de bioetanol. ** Existe una reducción del costo en 8%
si se comercializan los DDGS.
Artículo de investigación
Biocombustibles derivados de maiz
35
Este escenario permite que se dejen de
importar el equivalente a 32.8 millones
de barriles anuales de gasolina, que
representan $2,147 millones de dólares,
si consideramos que sólo por gasolinas
se importaron en 2007, un promedio
de 175,400 barriles diarios (64 millones
de barriles al año) de la llamada regular
(Magna), a un costo estimado de $65.46
dólares por barril.
El orden de magnitud de la inversión
requerida para producir el bioetanol
($2,950 millones de dólares) y el ahorro
($2,147 millones de dólares) derivado de
la sustitución del 10.5% de la gasolina a
importar en el año 2014, muestran la factibilidad de producir bioetanol para sustituir estas importaciones, aún más si se
considera que las 170 plantas requeridas
para producir el bioetanol, abrirán 5,100
puestos de trabajo directo en las fábricas,
así como cultivar casi 1.5 millones
de hectáreas con maíz para producir
15 millones de toneladas de maíz al año.
En resumen, la producción de bioetanol
de maíz depende estrechamente tanto de
los precios y rendimientos del maíz, como
de los precios internacionales del petróleo
y sus derivados en especial, la gasolina.
Beneficios ambientales y
energéticos del bioetanol
• Produce menos bióxido de carbono al
quemarse que la gasolina.
• Genera menores emisiones de
monóxido de carbono.
• Es menos inflamable que la gasolina.
• Se reducen significativamente las
emisiones de monóxido de carbono.
El beneficio derivado del uso de los
biocombustibles en general se refiere a
la mitigación de emisiones de Gases de
Efecto Invernadero (GEI), ya que teóricamente, la producción de biocombustibles absorbe el CO2 que emite cuando es
quemado, situación que no ocurre con los
derivados del petróleo. Existen una serie
de ventajas y desventajas del empleo de
los biocombustibles en general y del bioetanol en particular, y a continuación se
enumeran algunas de ellas.
Desventajas
Ventajas
Dependiendo de la materia prima,
incluido el maíz, el balance energético de
la producción de bioetanol es favorable, es
decir, que se obtiene más energía de la que
se invierte.
• El bioetanol puede ser producido a
partir cultivos y residuos celulósicos.
• Es un combustible líquido y puede ser
manejado como la gasolina.
• Tiene menor densidad de energía que
la gasolina; el conductor debe de llenar
el tanque con más frecuencia.
• Modificación de motores para evitar
problemas de corrosión de partes
mecánicas y sellos.
• Se incrementan las emisiones de
óxidos de nitrógeno y aldehídos.
• No se genera en nuestro país para su
empleo como combustible.
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Boletín IIE
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Artículo de investigación
Conclusiones
La producción de bioetanol y biodiesel
han sido ampliamente probados y su
uso ha crecido aceleradamente en los
últimos años a nivel mundial, existiendo
los primeros casos en nuestro país, donde
debe consolidarse el marco regulatorio
apropiado para impulsar su desarrollo de
manera consistente y firme, como sucede
en otros países tanto en desarrollo (Argentina, Brasil, Colombia, India, Tailandia),
como industrializados (Estados Unidos,
Europa, Japón, Australia).
Seguramente México, después del año
2012, tendrá que comprometerse a bajar
sus emisiones de GEI, por lo que desarrollar programas para su mitigación en este
momento es oportuno, de lo contrario el
costo para bajarlas en el futuro cercano se
incrementará sustancialmente.
Es claro que nuestro país es deficitario en
la producción de alimentos, sobre todo en
maíz, grano que nos puede brindar la oportunidad, no sólo de continuar siendo la base
de la alimentación nacional, sino también la
materia prima para producir principalmente
bioetanol. Los rendimientos nacionales
son tan diversos que se asemejan a los de
Estados Unidos o África, sin duda esto
es indicativo que se debe idear la manera
de que los rendimientos de este preciado
cultivo alcance las seis toneladas por
hectárea, mejorando las prácticas de cultivo
y acceso a fertilizantes, agua, transporte,
mercados transparentes y precios justos,
sin caer en la tentación de semillas transgénicas, ni en la de prácticas monopólicas.
El costo de producción de bioetanol a
partir de maíz a nivel internacional es
competitivo con los precios de la gasolina, por lo que depende en gran medida
del precio de ésta y de la materia prima,
aunado a la necesidad de nuestro país
de importar gasolina, más por la falta de
infraestructura que por la disminución de
las reservas de petróleo, tema sin lugar a
dudas de prioridad nacional.
En México se siembran en cifras cerradas
un promedio de siete millones de hectáreas y se producen veinte millones de
toneladas de maíz, si se mejora el rendimiento a cinco o seis toneladas de maíz
por hectárea, se duplicaría la producción,
sin incrementar la superficie sembrada, el
reto es llevarlo a cabo en la realidad, ya
que esto nos haría autosuficientes desde
el punto de vista alimentario y existirían excedentes para producir bioetanol,
ahorrando importaciones de gasolina,
reduciendo la dependencia del petróleo y
mitigando las emisiones que contribuyen
al cambio climático de nuestra era.
Artículo de investigación
Biocombustibles derivados de maiz
37
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JOSÉ LUIS ARVIZU FERNÁNDEZ
[jlarvizu@iie.org.mx]
Ingeniero Químico por la UNAM en 1980. Investigador desde 1983 de la Gerencia de Energías No
Convencionales del IIE. Autor de metodologías,
procesos y sistemas para la evaluación y transformación energética de los residuos sólidos, aguas
residuales y residuos agropecuarios vía procesos
térmicos y biológicos. Jefe de los proyectos: “Evaluación de la factibilidad de generación eléctrica con el
biogás generado en los rellenos de desechos sólidos
urbanos” en 1991, y “Estudio de evaluación de las
emisiones de biogás y caracterización de la potencia
energética que se puede obtener del relleno prados
de la montaña del DDF” en 1995. Autor del Inventario Nacional de Emisiones de metano como gas
de efecto invernadero sector desechos en 1995,
2000 y 2006. Organizador del primer y segundo
[15]Foro sobre Biocombustibles, Instituto Mexicano
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[21]Fernandes de Sousa Samira Sana, Ferreira Prado
Thiago Guilherme, The brazilian experiences in
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Energy; Gleneagles Dialogue on Climate Change,
Clean Energy and Sustainable Development
Scaling Up Workshop Mexico, 25 – 27 July, 2007.
coloquios sobre la conversión del metano generado
en los rellenos sanitarios, efectuados en los ITESM
Campus Aguascalientes en 2002 y Campus Monterrey en 2004. Actualmente es investigador y Jefe de
los Proyectos: “Conversión de residuos a energía
vía procesos biológicos y termoquímicos”; “Evaluación para la producción de metano del relleno sanitario de bordo poniente para el GDF”, y “Pruebas
de bombeo en el relleno sanitario de Los Laureles,
El Salto, Jalisco”, entre otros. Recientemente fue
autor del Inventario Estatal de GEI 2005-2005 del
sector desechos para el Estado de Puebla. Coautor
de los libros: “La Bioenergía en México” y “Cambio
climático: una visión desde México”, con el tema:
registro histórico de los principales países emisores,
así como del “Libro del Maíz” (2010), con el capítulo: biocombustibles derivados del maíz. Coautor
y coordinador asociado del libro: “La Bioenergía en
México” (2005).