Proyecto Integrado de Síntesis de Combustibles A Partir de Basura y Biomasa Con Cogeneración Eléctrica y Producción de Biocombustibles de Micro Algas Consumidoras de CO2 (Captura de CO2)

Proyecto Integrado de Síntesis de Combustibles A Partir de Basura
Con Cogeneración Eléctrica y Producción de Biocombustibles A
Partir de Micro Algas Consumidoras de CO2
Por Reinhardt Acuña Torres, Consultor en Biotecnología Aplicada
Un “Proyecto Integrado de Síntesis de Combustibles A Partir de Basura Con Cogeneración
Eléctrica y Producción de Biocombustibles A Partir de Micro Algas Consumidoras de CO2”,
es una iniciativa propia que he tenido en mente desde hace años, a la espera de encontrar
financiamiento por parte de algún país interesado o de la gran empresa privada; ya que,
ciertamente, es un proyecto muy oneroso y que no puede ser desarrollado a pequeña
escala. Pero tiene la gran ventaja estratégica de que se enmarca dentro de varios marcos;
entre ellos: el Desarrollo Auto-Sustentable, el Tratamiento y Aprovechamiento de los
Desechos Sólidos Orgánicos (Basura Orgánica), la Captura de CO2 y la Carbono
Neutralidad.
Síntesis de Combustibles Químicos A Partir de Basura Orgánica Sólida
Como proyecto integrado, o más bien, como integrador de proyectos, persigue varios objetivos
primarios. El primero de ellos es sintetizar combustibles químicos; esto es, fabricarlos, a partir de
materia prima orgánica. Ya que, los combustibles químicamente son hidrocarburos.
Específicamente (en este caso), hidrocarburos alifáticos. Y más específicamente: parafinas y
olefinas. Como la intención encontrar un uso práctico para la basura orgánica dentro del
marco del desarrollo sostenible y que la basura no se bote y acumule en vertederos, como
tristemente se acostumbra en muchos países. Muestra materia prima será basura
orgánica; eso sí, los desechos orgánicos deben estar secos y compactados. Puesto que,
para convertirlos en combustible, irónica y paradójicamente, deben ser ‘quemados’ y
convertidos en gases combustibles a alta temperatura; esto es en gas de combustión que
contiene cantidades variables de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2). Es lo que en
la industria química se conoce como gas de síntesis.
1- Gas de Síntesis
El gas de síntesis (Syngas, en inglés) es un combustible gaseoso obtenido a partir de
sustancias ricas en carbono tales como: hulla, carbón, coque, nafta y por
supuesto biomasa, sometidas a un proceso químico de alta temperatura. Contiene
cantidades variables de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2) que dependen del
método de producción usado: gas de alumbrado o gas de hulla; gas de coque o gas de
coquería; gas de generador (gasógeno) o gas de aire; gas de agua; gas ciudad entre otros.
En nuestro caso nos interesan, por las razones que veremos más adelante, principalmente
dos métodos de producción.
1- Gas de generador (gasógeno) o gas de aire: que se obtiene haciendo pasar aire a
través de una capa gruesa de gránulos de carbón o de coque incandescente. Cuyas
reacciones químicas son las siguientes.
(1)
A mayor temperatura, mayor proporción de monóxido de carbono (CO) y menor
proporción de dióxido de carbono (CO2). Esto tiene gran importancia por razones
que también veremos más adelantes
2- Gas de agua: que se obtiene haciendo pasar vapor de agua (H2O) sobre coque (C) a
alta temperatura.
(2)
Su llama es de color azul por lo que también se llama gas azul. Este gas se puede
transformar en metanol o alcanos, empleando catalizadores heterogéneos
apropiados. Esta reacción es fuertemente endotérmica por lo que requiere
temperaturas muy altas. Dando respuesta a la razón planteada en (1).
El gas de síntesis también se utiliza como producto intermedio en la producción de
petróleo sintético, a través de la síntesis de Fischer-Tropsch. Pero eso lo veremos más
adelante; por ahora veamos algunas de las aplicaciones del gas de síntesis en la Figura 1.
1- Gas de Síntesis
Aplicaciones del gas de síntesis.
2- Gasificación de la Biomasa
Así las cosas y en estrecha relación con nuestro tema, ¿cómo obtenemos el carbón (C)
necesario para producir el gasógeno (1) y luego el gas de agua (2) requeridos para la
síntesis de Fischer-Tropsch. Convirtiendo la basura orgánica seca y compactada en gas de
síntesis a través de un proceso termo-químico que convierte la biomasa (normalmente de
origen leñoso), en gas combustible conocido como gasificación de la biomasa. Ver Figura
2. Nótese que la principal diferencia entre la biomasa gasificada y el gas de síntesis está en
que, el gas producido contiene CO, H2, CH4, CO2, N2, vapor de agua entre otros
componentes. Pero principalmente en que, la biomasa gasificada tiene menor poder
calorífico (entre 1.000 kCal/ Nm³ y 3.000 kCal/ Nm³ ), por lo que se le considera un ‘gas
pobre’. Ver Figura 2.
2- Gasificación de Biomasa
Esquema de una planta de gasificación de lecho fluido burbujeante.
3- Proceso de Fischer-Tropsch
Una vez gasificada la biomasa, se puede utilizar como producto intermedio en la
producción de combustibles (petróleo sintético). Esto se hace a través de un proceso
desarrollado durante la II Guerra Mundial conocido como síntesis de Fischer-Tropsch. Fue
inventado por los alemanes Franz Fischer y Hans Tropsch en 1925. Y sus principales
reacciones son:
(para la producción de parafinas)
(para la producción de olefinas)
Se trata (en ambos casos) de reacciones muy exotérmicas; es decir, que liberan una gran
cantidad de calor que se llevan a cabo sobre catalizadores de cobalto o hierro. Para
maximizar el rendimiento se requiere de una presión alta, típicamente de entre 20 y 30
bar y una temperatura de entre 200 y 350 °C. La temperatura es el factor limitante de la
reacción; ya que, por encima de los 400 °C, la formación de metano (CH4) resulta excesiva.
Como en todo proceso químico que involucra catálisis y polimerización, se presentan
reacciones secundarias e indeseadas:
(producción de metano)
(producción de alcoholes)
(deposición de carbono sólido)
Las reacciones que conducen a la producción de parafinas y de olefinas dentro del proceso
Fischer-Tropsch son reacciones de polimerización, que consisten en cinco pasos básicos:
1. Adsorción de CO sobre la superficie del catalizador;
2. Iniciación de la polimerización mediante formación de radical metilo (por
disociación del CO e hidrogenación);
3. Polimerización por condensación (adición de CO y H2 y liberación de agua);
4. Terminación;
5. Desorción del producto.
La velocidad de reacción está limitada por la cinética y en particular por el paso de
polimerización por condensación. La distribución de pesos moleculares en el producto
puede ser predicho aproximadamente por el modelo de Anderson-Schulz-Flory:
Donde Wn es la fracción en peso de producto
con n átomos de carbono y a es la probabilidad de crecimiento de cadena, función de las
condiciones de reacción (catalizador, temperatura, presión y composición del gas).
En resumen, el Proceso Fischer-Tropsch es utilizado para la producción de hidrocarburos
líquidos tales como: gasolina, keroseno y gasoil; a partir de gas de síntesis (CO y H2). Ver
Figura 3.
3- Proceso Fischer-Tropsch
Generación y Cogeneración Eléctrica
Como vimos anteriormente, la temperatura óptima para el proceso de síntesis de
combustibles de Fischer-Tropsch, no es alta (entre 200 y 350 °C); más bien, podría
considerársele baja. No obstante, es suficiente para generar el calor suficiente para en
agua (H2O) en fase gaseosa y más allá de su punto de condensación; esto es, a la derecha
de los límites de la curva de vaporización (curva azul). Ver la Figura 4.
4- Diagrama de Fases
El vapor sobrecalentado de agua permite que se lleve a cabo un procedimiento mediante
el cual se puede obtener simultáneamente: energía eléctrica y energía térmica útil. Por
ejemplo, para producir vapor de agua (condensable). O bien, agua caliente sanitaria. Dicho
proceso recibe el nombre de cogeneración y su principal objetivo es mejorar la eficiencia
energética en contraste con una central eléctrica o una caldera convencionales. La
conversión o transformación de energía térmica o calórica a energía eléctrica se realiza
primero, a través de una turbina de vapor que es una turbomáquina motora que,
transforma la energía del flujo del vapor sobrecalentado en energía mecánica. Esto lo hace
a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo; o sea, el
vapor sobrecalentado y el rodete, que es el dispositivo principal de la turbina; el cual
cuenta con múltiples palas o álabes; los cuales tienen una forma particular para poder
realizar el intercambio energético (transferencia de energía). Ver Figura 5.
5- Rotor de una turbina de vapor producida por Siemens, Alemania.
Luego, la energía mecánica de la turbina de vapor debe ser transformada nuevamente;
ahora en energía eléctrica. Esta transformación se consigue gracias al electromagnetismo;
por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos que están
dispuestos sobre una armadura (denominada estátor) de un generador eléctrico, también
llamado alternador por generar una corriente alterna. El movimiento relativo entre los
conductores y el campo, producido mecánicamente por la turbomáquina motora,
generará una fuerza electromotriz (F.E.M.) o voltaje inducido, que es lo que, en términos
generales conocemos como una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Este sistema
está basado en la ley de Faraday. Ver Figura 6.
6- Esquema de un alternador simple
No obstante, el rango de temperaturas que alcanza el proceso de producción de gas de
síntesis es mucho más elevado: fácilmente triplica e incluso cuadruplica la temperatura
promedio del Proceso Fischer-Tropsch. Volviendo al Diagrama de Fases (Figura 4), eso
permite no sólo que el agua (H2O) mantenga siempre su estado de gas. Sino también que
lo conserve luego de haber pasado por un proceso termodinámico de conversión de calor
en trabajo; tal como el que ocurriría en el proceso de conversión de calor en trabajo a
través de una turbina de vapor. Eso permite a su vez, la utilización de otro tipo de turbina,
más eficiente, una turbina de gas, una turbomáquina motora cuyo fluido de trabajo es
un gas. Por eso, las turbinas de gas son utilizadas en ciclos de potencia como el ciclo
Brayton. Pero hay una ventaja más, la elevada temperatura de los procesos de producción
de gas de síntesis permite el uso de ciclos combinados para la producción de electricidad.
Se denomina ciclo combinado de generación de energía a la coexistencia de dos ciclos
termodinámicos dentro un mismo sistema de generación. El primero de ellos utiliza como
fluido de trabajo un gas de alta temperatura producto de una combustión. El segundo un
fluido de trabajo de menor contenido y calidad energética como el vapor de agua y otro.
Ver Figura 7.
7- Esquema del funcionamiento de una central de ciclo combinado 1.-Generadores
eléctricos 2.-Turbina de vapor 3.-Condensador. 4.-Bomba impulsora 5.-Intercambiador
de calor 6.-Turbina de gas
Producción de Biocombustibles a Partir de Microalgas Oleaginosas
Como vimos en la producción de en gas de síntesis se produce una reacción secundaria de
conversión (reacción de shift, en inglés), la cual convierte parte del vapor de agua (H2O)
en hidrógeno (H2), al reaccionar con el monóxido de carbono (CO):
(2)
Pero el dióxido de carbono (CO2), también se forma a través del proceso de combustión
completa que se da durante la gasificación de la biomasa. El CO2 producido de ambas
fuentes puede ser utilizado para alimentar microalgas oleaginosas que, a su vez, pueden
ser utilizadas para producir biocombustibles tales como bioetanol y el biodiésel. Ver
Figura 8.
8- Cultivo de microalgas
El bioetanol se produce mediante
la fermentación anaeróbica de
los azúcares contenidos dentro del
cuerpo (célula) de las microalgas
con levadura en una solución acuosa y
posterior a una breve destilación.
El biodiésel a partir
de lípidos naturales de las microalgas,
mediante procesos industriales
de esterificación y transesterificación.
Ver Figura 9.
9- Muestra de biodiésel.
En las microalgas todo se aprovecha,
su pared celular es rica en proteínas y
otros polímeros orgánicos que pueden
ser utilizados para nutrición animal; o bien, para producir biogás (metano:CH4) otro
biocombustible.
Captura y Fijación de Carbono
Quizás el mayor aporte de las microalgas está en la captura y almacenamiento de carbono
atmosférico (CAC o CCS, por sus nombre en inglés carbon capture and storage); esto es,
en la “propuesta de una técnica para retirar dióxido de carbono de la atmósfera o, más
comúnmente, evitar que llegue a ella”. Eso por cuanto, la velocidad de fijación de
carbono; esto es, la conversión de carbono inorgánico (en forma de dióxido de carbono)
en compuestos orgánicos de las microalgas es muy superior a la de los cultivos agrícolas
tradicionales dedicados a tal propósito. Ver Figura 10.
10- Fases en el crecimiento de los cultivos de algas ilustradas con una típica curva de
crecimiento para el gran flagelado verde, Tetraselmis suecica.
Fuente: Cultivo de algas: FAO.
Eso sin mencionar que el rendimiento (producción) de aceite por hectárea por año,
también es muy superior. Ver Figura 11.
11- Producción de aceite
Fuente: MICROALGAS OLEAGINOSAS
Fomentando de esa forma la economía baja en carbono y el desarrollo sostenible dentro
del marco de la neutralidad de carbono.