Biocombustibles en automoción: Presente y futuro para la descarbonización del transporte

El desarrollo industrial, de infraestructuras y de las grandes ciudades en los dos últimos siglos se ha basado en el consumo de recursos energéticos fundamentalmente de origen fósil (carbón, petróleo y gas), una forma barata y sencilla de obtener energía. La liberación en pocos años de este carbono fijado en forma de dióxido de carbono (CO2), está contribuyendo a alteraciones importantes a corto plazo sobre la climatología global. Junto con el uso directo de la electricidad renovable, la incorporación de los biocombustibles en el transporte se está postulando como una herramienta necesaria para la descarbonización del sector. Actualmente, el transporte de mercancías y personas es responsable del 24% de las emisiones totales de CO2 a nivel global, siendo en España aún mayor, de un 27,5% del total. 

Es necesario desarrollar nuevas tecnologías y procesos al nivel de madurez que tienen los que utilizamos para los combustibles fósiles, para que podamos descarbonizar el transporte tomando como materias primas productos que encontremos en la naturaleza o sean corrientes residuales de otros procesos y que puedan ser explotados de forma sostenible o permitan reducir el impacto ambiental que genera la actividad humana. Explicaremos cómo se producen estos biocombustibles. 

Primera generación: Biodiésel y Bioetanol

Procesos extractivos y transesterificación

Quizás el primer biocombustible de la humanidad, después de la madera, fue el aceite de oliva. Ya en el antiguo Egipto se usaban lámparas de aceite que, entre otras grasas, utilizaban el aceite de oliva directamente. Del mismo modo, se desarrollaron otras técnicas extractivas para la recuperación de aceites y grasas, que incluso funcionaban en las versiones primitivas de los motores diésel. 

Para mejorar la estabilidad, viscosidad y operatividad en los motores actuales, estas grasas y aceites, que químicamente son ésteres de ácidos grasos con glicerina, se someten a un proceso de transesterificación a través de un catalizador, donde se recombinan con un alcohol (generalmente metanol o etanol) formando el alquil éster del ácido graso (FAAE), según la reacción: Grasa o aceite + alcohol à FAAE + glicerina 

Este biocombustible se conoce como ‘biodiésel’ y actualmente se incluye en los gasóleos comerciales en un porcentaje del 7%. Por esto, encontramos el etiquetado B7 en los gasóleos comerciales usados en transporte por carretera. 

Procesos fermentativos

Otro método usado desde la antigüedad para la producción de biocombustible es la fermentación de azúcares obtenidos por procesos extractivos de jugos de plantas para producir alcoholes, mayoritariamente etanol. Además de productos tan conocidos como las cervezas y vinos, su destilación profunda permite obtener alcoholes puros. Se utilizan en algunas producciones extractos de maíz u otros cultivos para tener una fuente concentrada de azúcares que permitan una producción industrial de alcoholes.

A través de microorganismos, como son las levaduras, la producción industrial de etanol permite su incorporación en un 5 o incluso un 10% en las gasolinas que se dispensan en España (E5 o E10). 

En definitiva, consumimos en nuestros vehículos un porcentaje de biocombustible limitado para que sea compatible con todos los vehículos actualmente en circulación. Si quisiéramos incrementar estos porcentajes, deberíamos hacer modificaciones en los motores y los sistemas de inyección para hacerlos compatibles. De hecho, existen vehículos que funcionan con 100% de biodiésel o etanol. 

Segunda generación: Residuos vegetales, HVO/HEFA

Sin embargo, hemos de buscar fuentes alternativas para producir más biocombustibles que puedan suplir porcentajes mayores de combustible fósil sin alterar las propiedades requeridas para un funcionamiento adecuado. Para ello, se está desarrollando una nueva generación de combustibles a partir de residuos, conocidos como biocombustibles de segunda generación o ‘2G’. 

Hidrólisis

Para obtener los concentrados de azúcares a partir de biomasa, se pueden someter a procesos de hidrólisis, como por ejemplo celulosa, para producir azúcares fermentables. Con estos procesos, con la ayuda de agua o vapor y catalizadores, se rompen las moléculas de celulosa en sus unidades individuales que son azúcares, que pueden ser sometidos a procesos fermentativos. De este proceso, también se puede obtener etanol u otros alcoholes que se utilizan como aditivo en combustibles.

Refino/hidrotratamiento

Con el desarrollo y adaptación de los procesos de refino del petróleo, se pueden procesar los productos de pirólisis o reciclados/recuperados y convertirlos en biocombustibles con propiedades similares a los derivados del petróleo, que permiten su uso en los motores de combustión actuales. 

Uno de los procesos introducidos en el mercado recientemente es el hidrotratamiento de aceites vegetales usados (HEFA) para producir HVO (Hydrotreated Vegetable Oils), es decir, su tratamiento con hidrógeno para formar hidrocarburos como los que componen el diésel convencional. Si este hidrógeno es de origen renovable, nos encontramos con un combustible que se puede considerar 100% renovable, al provenir de aceites usados o biomasa. Actualmente, los biocombustibles ‘2G’ ya se encuentran en muchas estaciones de servicio, por lo que son una realidad. 

Tercera generación: bioaceites, biogás, y syngas

Sin embargo, si queremos descarbonizar el transporte, debemos seguir buscando tecnologías que nos permitan aprovechar otras biomasas y ser capaces de producirlas de forma masiva, rápida y sostenible. Mediante técnicas avanzadas, podemos descomponer o hacer reaccionar la biomasa, tanto natural como residual, para obtener compuestos aprovechables como biocombustibles o como materias primas para fabricarlos. 

Procesos termoquímicos: digestión anaerobia, pirólisis y gasificación

En este ámbito se incluyen la producción de biogás mediante digestión anaerobia y de bioaceites y syngas mediante procesos termoquímicos como la pirólisis y la gasificación. Estos procesos permiten transformar la biomasa sólida en productos gaseosos, líquidos y sólidos, que pueden ser valorizados directamente como biocombustibles. 

En esta línea, cabe destacar que el centro tecnológico Eurecat participa en el proyecto europeo Life Chandelier, que ensayará el uso de residuos agroalimentarios para la producción de biometano vehicular, con el objetivo de avanzar en la sostenibilidad del sector del transporte y el desarrollo rural.

Cultivos de biomasa y biocombustibles

Desde hace años, determinados organismos se están estudiando para la producción de biomasa de forma sostenible y sin que comprometa los recursos hídricos. Una forma en desarrollo es el cultivo de microalgas en agua salada, que permite obtener, tras su procesamiento, bioaceites y biogás (mezcla de biometano y CO2), dando pie a materias primas para la producción de biocombustibles de segunda generación. 
 

Cuarta generación: Hidrógeno verde, captura de CO2 y síntesis química de biocombustibles

Existen procesos electroquímicos y catalíticos que permiten la síntesis de biocombustibles a partir de moléculas sencillas, como son el H2y el CO2. Si este hidrógeno es producido por electrólisis con energía renovable o a partir de biomasa y este CO2 proviene de esa misma biomasa o es capturado, seremos capaces de producir biocombustibles renovables, transformando estos productos en moléculas con una mayor densidad energética y, por tanto, utilizables en motores de combustión o pilas de combustible. 

El propio H2 puede utilizarse como combustible, aunque por las dificultades asociadas a su logística, se apuesta por una conversión a otros combustibles más manejables como el amoniaco (NH3), el metanol o el combustible sintético obtenido por la reacción de Fischer-Tropsch (también conocido como Sustainable Aircraft Fuel). Además, hay desarrollos en los que se obtienen otras moléculas intermedias como el ácido fórmico, que no únicamente puede usarse como combustible sino como intermedio químico para fabricar otros productos.

Dentro de los desarrollos de estos combustibles de cuarta generación, están los sistemas que integran desarrollos de generaciones anteriores y que pretenden mimetizar los procesos que suceden en la naturaleza, pero de forma sintética. Un ejemplo, es el proyecto europeo de química sostenible SunCoChem, coordinado por Eurecat, que ha desarrollado un prototipo de reactor para fabricar productos químicos utilizando energías renovables, mediante el dióxido de carbono recuperado de la industria y energía solar.

Hemos de seguir trabajando para continuar desarrollando estas tecnologías para que podamos validar su escalabilidad y facilitar su implantación en los centros de producción de combustibles. 

La idoneidad de un biocombustible para su uso en los vehículos actuales depende de la composición de las propiedades fisicoquímicas que puedan obtenerse, estando recogidas en normativas nacionales e internacionales. Por ejemplo, en España, viene regulada por el Real Decreto 61/2006, de 31 de enero. Todo combustible que se asimile por ejemplo a una gasolina de 95 octanos puede hacerse íntegramente con combustibles renovables, siempre y cuando cumpla con las características de densidad, estabilidad, índice de octano, temperaturas de inflamación y poder calorífico. Hoy podríamos hacer combustibles 100% sintéticos a partir de fuentes renovables, combinando por ejemplo biodiésel producido con aceites usados junto con combustible sintético preparado con hidrógeno renovable y CO2 capturado. Pero, al no haber procesos a la suficiente escala y estar esta tecnología en proceso de maduración, el coste de este combustible sería al menos 3-5 veces superior, si lo comparamos con un diésel producido a partir de petróleo. 

Existe, por tanto, un desafío técnico, político y económico, para facilitar la incorporación de los biocombustibles en el transporte de bienes y personas, contribuyendo a la descarbonización y al desarrollo de la economía circular. No será sencillo, ni barato, pero hemos de realizarlo si queremos ser sostenibles. 

Eurecat, como centro tecnológico, contribuye a este objetivo con el desarrollo de tecnologías de hidrógeno, dispositivos electroquímicos para la producción de combustibles, tecnologías para captura de CO2 y tratamiento de residuos en combustibles, herramientas necesarias para esta transición. 

Conclusiones

Gracias a los avances de la tecnología química en los últimos 50 años se han desarrollado procesos que permiten obtener combustibles alternativos a los fósiles, pero requieren de procesos adicionales para transformarlos en combustibles aptos para su uso en los motores actuales. 

Por otra parte, hemos de hacer una transición progresiva desde los combustibles fósiles hacia los biocombustibles, mediante mezclas progresivas de éstos, aumentando su composición en el tiempo a medida que se desarrollan las plantas y se mejoran las técnicas. Podemos usar estos biocombustibles siempre y cuando cumplan con las especificaciones técnicas con las que trabajan los motores térmicos actuales, ya sea operando con gasóleo o gasolina. 

En un futuro próximo, tendremos infraestructura para ser capaces de producir combustibles a partir de la energía del sol, el CO2 que podamos capturar de efluentes o la propia atmósfera, residuos o biomasa producida a gran escala. 

Álvaro Reyes Carmona

Innovation Manager

Unidad de Tecnologías Químicas 

del centro tecnológico Eurecat

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Este artículo aparece publicado en el nº 563 de Automática e Instrumentación págs 52 y 53.