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lunes, 2 de julio de 2018

Combustible derivado de alcohol



Tipo de entrada: REVISIÓN.

Introducción

El bioetanol que se produce por fermentación de cultivos ricos en azúcar es el principal producto de la industria de los biocombustibles [1]. Sin embargo, el etanol no representa una solución “drop-in” y requiere cambios sustanciales en las infraestructuras de refinado y distribución. Las propiedades de este alcohol (una molécula simple oxigenada) difieren en gran medida de las de la gasolina, el diésel o el queroseno (mezclas de hidrocarburos), condicionando una posible mezcla. El etanol puede provocar problemas de corrosión en tuberías de transporte que fueron diseñadas para trabajar sólo con gasolina.

En el caso específico del queroseno, hay requerimientos de calidad más estrictos que en el caso del transporte por carretera. El etanol muestra baja compatibilidad como combustible de mezcla con el queroseno debido a su alta volatilidad y absorción de agua y a su bajo punto de ignición y densidad energética. El butanol no es tan incompatible como el etanol, pero también sigue representando riesgos de seguridad inaceptables debido a su bajo punto de ignición y a su alta volatilidad. [2,3]

Para evitar los problemas relacionados con los límites de alcohol fijados para la mezcla con hidrocarburos, se está estudiando la conversión directa de alcohol en combustibles convencionales como alternativa. Esos hidrocarburos se pueden utilizar como combustibles para transporte con la infraestructura existente. Además, esta aplicación no requiere alcoholes grado combustible, reduciendo las necesidades energéticas requeridas por la destilación. Los combustibles derivados de materias primas renovables pueden reducir la dependencia de la industria del transporte de una única fuente de energía, eliminando la volatilidad de los precios del petróleo y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.

Proceso

Para crear combustibles alternativos que sean aptos para las infraestructuras convencionales, las diferencias entre las propiedades físicas y químicas entre los alcoholes y los combustibles convencionales deben ser minimizadas. El proceso incluye tres pasos: deshidratación del alcohol, oligomerización e hidrogenación. Una ventaja de estos tres pasos es que todos ellos ya han sido usados a una escala comercial relevante. Sin embargo, la demostración del proceso integrado con intermedios derivados de biomasa todavía sigue siendo necesaria. Las siguientes tablas ilustran tres tecnologías para la producción de combustible a partir de alcohol en diferentes etapas de desarrollo.

Gasolina derivada de etanol
[4]
Materia prima
Etanol.
Tecnología de proceso
La reacción de conversión catalítica del alcohol etílico en hidrocarburos sintéticos tiene lugar en fase gaseosa en dos etapas:
1) La primera etapa es una un reacción fuertemente endotérmica de descomposición del alcohol en la que se produce etileno y vapor de agua.
2) La segunda etapa cubre varias reacciones complejas fuertemente exotérmicas de síntesis de hidrocarburos a partir de etileno.
Productos
- Biohidrocarburos gaseosos.
- Biohidrocarburos líquidos (<210ºC).
- Biohidrocarburos aromáticos (>210ºC).
Estado actual
Producción a escala comercial en Bogumiłów, cerca de Łódź (Polonia).
Capacidad: 22.500 toneladas métricas de biohidrocarburos al año.

Queroseno derivado de alcohol (ATJ)
[5, 6, 7, 8]
Materia prima
Etanol e isobutanol
Proceso de producción: fermentación (Gevo Integrated Fermentation Technology, GIFT).
Tecnología de proceso
Tres pasos:
1) Deshidratación.
2) Oligomerización.
3) Hidrogenación.
Productos
- Queroseno.
- Isooctano.
Estado actual
- Gevo lleva produciendo queroseno derivado de alcohol en su biorrefinería en Silsbee desde 2011. La planta tiene capacidad para procesar entre 5.000 y 10.000 galones de isobutanol al mes y producir cantidades de prueba para aerolíneas comerciales.
- En octubre de 2016, Gevo informaba de que había firmado un acuerdo con Lufthansa para suministrar ATJ procedente de su primera planta comercial de hidrocarburos, que se prevé que sea construida en Luverne. Los términos del acuerdo contemplan que Lufthansa adquiera hasta 8 millones de galones al año del ATJ de Gevo o hasta 40 millones de galones en los 5 primeros años de vida del acuerdo de compra.
- Gevo ATJ se usó en el Aeropuerto Internacional O’Hare de Chicago el 8 de noviembre de 2017 para el “Fly Green Day”.

Queroseno derivado de etanol
[9, 10]
Materia prima
Etanol.
Proceso de producción: Fermentación de gas de LanzaTech, que usa materias primas como efluentes de gases industriales y biomasas residuales.
Tecnología de proceso
Tres pasos:
1) Deshidratación.
2) Oligomerización.
3) Hidrogenación.
Productos
- Queroseno.
- Diésel.
- 2,3-BDO.
Estado actual
- LanzaTech está preparando un paquete de diseño e ingeniería para una instalación de producción de ATJ implementando esta ruta. El proceso ha sido seleccionado para ser escalado a escala demostración bajo el programa PD2B3 (Resolución DE-EE0007966).
- La instalación está siendo diseñada para producir 3 millones de galones al año de ATJ y diésel.

Figura 1. A: Proceso ATJ de Gevo (extraída de [5]) / B: Proceso ATJ de Lanzatech/PNNL (extraída de [9])

Normativa

En 2016, el Comité Internacional de ASTM aprobó una revisión de la norma ASTM D7566 (Especificación para Combustible de Turbinas de Aviones que Contienen Hidrocarburos Sintéticos) para incluir queroseno parafínico sintético derivado de isobutanol (ATJ-SPK). En Abril de 2018, ASTM votó a favor de revisar de nuevo la especificación para incrementar los niveles de mezcla de ATJ con queroseno de origen fósil del 30% al 50%. También incluyó etanol como materia prima aprobada en el Anexo 5 además del isobutanol. Estos cambios han sido publicados recientemente en la última edición de la norma: ASTM D7566 - 18.
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REFERENCIAS
[1] B. Kummamuru: “WBA Global Bioenergy Statistics 2017”. World Bioenergy Association.
[2] J. I. Hileman, et al.: “Near-Term Feasibility of Alternative Jet Fuels”, RAND Corporation, 2009.
[3] W.-C. Wang et al.: “Review of Biojet Fuel Conversion Technologies”. Technical Report NREL/TP-5100-66291, julio de 2016.
[5] G. Johnston: “Alcohol to Jet - Isobutanol”. ICAO Seminar on Alternative Fuels, febrero de 2017.
[8] “Jet Fuel Derived from Ethanol Now Eligible for Commercial Flights”. Nota de prensa de Gevo, 3/4/2018.
[9] S. Simpson: “A Hybrid Catalytic Route to Fuels from Biomass Syngas”. U.S. DOE’s BETO Project Peer Review, marzo de 2017.
[10] “PNNL technology clears way for ethanol-derived jet fuel”. Nota de prensa de PNNL, junio de 2018.

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