Biomass to Liquid (2ª Parte)
En
esta serie de entradas, se está tratando el tema de los
biocombustibles sintéticos o
biocombustibles de segunda generación
obtenidos aplicando la tecnología “Biomass to Liquid” (BtL).
Según se ha analizado en la primera entrada, todos los procesos de
producción de estos combustibles presentan un primer paso común: la
gasificación de la biomasa lignocelulósica para obtener "syngas"
o gas de síntesis. Como puede apreciarse en la Figura 1, existe una
gran multitud de compuestos que pueden sintetizarse de manera más o
menos directa a partir del "syngas", no sólo combustibles
sino otros derivados químicos utilizados como detergentes, perfumes
y otros usos de alto valor añadido.
Figura
1. Diagrama de los procesos de conversión del gas de síntesis1
En esta
segunda entrada, la atención se centrará en algunas de las
diferentes vías que están siendo exploradas
actualmente para producir combustibles líquidos a
partir del gas de síntesis, cada una
de ellas con diferentes requirimientos en
términos de la composición del "syngas" que se utiliza
como materia prima. En la Figura 2, se
muestran de manera muy gráfica los principales combustibles y sus
usos finales. De los combustibles que
aparecen en ella, se tratarán todos menos el hidrógeno al que,
probablemente, se le dedicará un monográfico más adelante desde
una perspectiva un poco más amplia. Además, se añadirán
la síntesis de alcoholes
secundarios y la fermentación del "syngas". Las
descripciones son sólo unos brevísimos resumenes de la información
encontrada en la bibliografía manejada. Se desea hacer una mención
especial de los recursos disponibles en "Bioweb. The Sun Grant
Initiative" (http://bioweb.sungrant.org/)
ya que pueden ser de mucha utilidad para aquellos que quieran
estudiar un poco más a fondo las reacciones que implican estos
procesos.
Figura
2. Combustibles obtenidos mediante el procesamiento del gas de
síntesis2
Síntesis Fischer-Tropsch
(F-T)1,2,3,4,5
La
síntesis F-T es un
proceso químico catalítico que
ha sido empleado desde la década de los 20 del pasado siglo para
producir combustibles líquidos a partir del
"syngas" derivado del carbón y del
gas natural. De manera simple, durante el proceso se convierte
el gas de síntesis
en combustible diesel y nafta mediante la construcción de cadenas de
polímeros a base de bloques básicos. El
hidrógeno y el monóxido de carbono reaccionan sobre un catalizador
para dar lugar a una amplio rango de cadenas de hidrocarburos de
diferentes longitudes.
Históricamente,
el diesel fue el primer combustible obtenido
a través de estas tecnologías de síntesis
y se puede afirmar que es muy similar al diesel procedente del
petróleo tanto en propiedades físicas como químicas. Las
infraestructuras actuales de almacenamiento y distribución son
totalmente compatibles y su uso, generalmente, no requiere
modificaciones en los motores diesel. Sin embargo, la nafta F-T,
aunque tiene unas propiedades similares a las de la gasolina, no es
apropiada para usar en los motores convencionales debido a su bajo
octanaje.
Pasando
a tratar el proceso con un poco más de profundidad, la
reacción se lleva a cabo a presiones de entre 20 y 40 bares y en
dos posibles rangos de temperaturas:
- 200-250 ºC → Se emplea catalizador de cobalto para producir cadenas largas de productos que posteriormente pueden ser rotas para generar diesel. Con este tipo de catalizadores, la razón molar entre H2 y CO debe ajustarse en el entorno de 2. Si el gas de síntesis producido por el gasificador tiene una ratio inferior, es necesaria una reacción de conversión adicional (Water-Gas Shift, WGS) en la que parte del CO reacciona con vapor de agua para formar más H2.
- 300-350 ºC → Mediante catalizadores base hierro se obtienen olefinas para un producto final de gasolina ligera. Estos catalizadores tienen una capacidad intrínseca para que se produzca la reacción de conversión de CO, por ello, la razón molar entre H2 y CO requerida no tiene razón para ser tan elevada como en el caso anterior.
Típicamente,
también se puede producir gran variedad de coproductos. El proceso
es bastante caro si sólo se tienen
en cuenta productos tipo diesel y gasolina.
Síntesis
de metanol1,2,3,4,5
El "syngas"
también puede ser convertido en metanol mediante procesos
catalíticos (de hecho, es un producto intermedio del proceso F-T).
Este compuesto es líquido en condiciones ambientales lo que facilita
su almacenamiento y transporte. Presenta dos ventajas principales
sobre la gasolina: su elevado índice de octano y sus bajas
emisiones. Sin embargo, presenta algunos aspectos negativos en
relación con su empleo como combustible para transporte: su
relativamente bajo contenido en energía y su alta toxicidad. A pesar
de ello, en un futuro, podría ser elegido como combustible, siempre
que se desarrollen vehículos con reformado de hidrógeno a bordo ya
que es un excelente portador de hidrógeno y su proceso de reformado
es considerablemente sencillo.
La producción
de metanol a partir del gas de síntesis implica la reacción de CO,
H2 y una pequeña cantidad de CO2 sobre un
catalizador de óxido de cobre-zinc. El proceso tiene lugar a través
de una reacción tipo WGS, seguida de la hidrogenación del CO2.
Este proceso se lleva a cabo a 220-300 ºC y 50-100 bares. Los
productos brutos son alimentados a una unidad de destilación en la
que se recicla el "syngas" no utilizado, los volátiles, el
agua y otros alcoholes, que vuelven al reactor. La razón
estequiométrica de (H2-CO2) a (CO+CO2) debería
ser mayor de dos para procesos basados en catalizadores soportados
por alúmina.
Síntesis
de Dimetileter (DME)1,2,4,5
Se
trata de un combustible prometedor para
motores diesel, debido a su buena combustión y sus bajas emisiones.
Aunque hay que destacar que, como los LPGs,
requiere medidas de manejo y equipamiento especiales, y es necesario
realizar algunas modificaciones de los motores para que pueda ser
utilizado. Los
estudios todavía están en fase experimental y su uso apenas se ha
probado, pero si los vehículos fuesen diseñados y fabricados para
funcionar con DME, producirían de manera inherente menos emisiones.
Originariamente,
el DME era fabricado a partir del metanol mediante un proceso de
deshidratación pero, recientemente, se está probando una ruta
directa a partir del gas de síntesis. La producción directa está
demostrando ser más eficiente en energía y costes pues involucra un
proceso en vez de dos.
Síntesis de alcoholes
superiores ( Higher Alcohol Synthesis, HAS)1,3,5
Las crisis del
petróleo de los años 70 dio un impulso al interés en el uso del
gas de síntesis para producir alcoholes (tanto el metanol como otros
alcoholes de mayor número de carbono) para mezla con gasolina.
Comparado con el metanol, los alcoholes superiores presentan mayor
índice de octanos, son menos volátiles, poseen menor tendencia a la
separación de fases en presencia de agua, y son más compatibles con
ciertos componentes de los motores.
La
síntesis de mezclas
de alcoholes superiores,
también conocida como "Higher Alcohol Synthesis" (HAS), es
similar a las
mencionadas en los apartados anteriores. El proceso genera una mezcla
de especies como el metanol, el etanol, el propanol, butanoles y
algunos alcoholes más pesados. La razón de H2
a CO en el gas de síntesis debe estar entre 1 y 1,2, de aquí que la
necesidad de que se den reacciones tipo WGS para acondicionar el gas
se reduzca.
Se
han desarrollado y patentado varios procesos para obtener mezcla de
alcoholes a partir de CO y H2,
sin embargo, la producción comercial ha sido obstaculizada
por su pobre selectividad y bajos rendimientos de producto.
Fermentación
del "syngas"1,3
Existe un gran
abanico de microorganismos que pueden utilizar el gas de síntesis
como fuente de energía y de carbono para producir etanol, con algo
de formación de butanol, acetato, formato y butirato. El proceso
opera a bajas presiones (entre atmosférica y dos bares) y
temperaturas (normalmente, cerca de los 37 ºC) con unas condiciones
de reacción y pH muy particulares dependiendo del tipo de
microorganismo utilizado. La mayor parte de ellos crecen mejor en
ambientes ricos en CO que ricos en H2, por ello, la
relación H2 a CO debe ser baja y la reacción de
conversión agua-gas no es necesaria.
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REFERENCIAS
1
P.L. Spath, D.C. Dayton: "Preliminary Screening — Technical
and Economic Assessment of Synthesis Gas to Fuels and Chemicals with
Emphasis on the Potential for Biomass-Derived Syngas".
National Renewable Energy Laboratory, December 2013.
2
B. Kavalov, S.D. Peteves: "Status and Perspectives of
Biomass-to-Liquid Fuels in the European Union". Institute
for Energy, Directorate General Joint Research Centre (DG JRC),
European Commission, 2005.
3
"Review of Technologies for Gasification of Biomass and
Wastes", Final report, NNFCC project 09/008. A project
funded by DECC, project managed by NNFCC and conducted by E4Tech,
June 2009.
4
P. Vasudevan, S. Sharma, A. Kumar: "Liquid fuel from biomass:
An overview". Journal of Scientific & Industrial
Research, Vol. 64, November 2005, pp. 822-831.
