domingo, 20 de agosto de 2017

6 COMBUSTIBLES CON BASE EN ALCOHOL 2

Una cosa es un biocombustible y otra es bioetanol derivado de cultivos alimenticios, como muchos de los problemas socioambientales derivados de la aplicación de la ciencia, este emerge de la aplicación sesgada de un único mecanismo de obtención, cuando existen alternativas. Un biocombustible es un combustible que se produce a través de procesos biológicos contemporáneos, como la agricultura y la digestión anaeróbica, en lugar de un combustible producido por procesos geológicos como los que participan en la formación de combustibles fósiles, como el carbón y el petróleo, de materia biológica prehistórica. Los biocombustibles pueden derivarse directamente de plantas, o indirectamente de residuos agrícolas, comerciales, domésticos y / o industriales  (Smith, 2013). Los biocombustibles renovables generalmente implican la fijación contemporánea del carbono, como los que se producen en las plantas o microalgas a través del proceso de fotosíntesis. Otros biocombustibles renovables se hacen a través del uso o la conversión de la biomasa (se refiere a los organismos vivos recientemente, lo más a menudo referente a las plantas o los materiales derivados de la planta). Esta biomasa puede convertirse en sustancias convenientes que contienen energía de tres maneras diferentes: conversión térmica, conversión química y conversión bioquímica. Esta conversión de biomasa puede resultar en combustible en forma sólida, líquida o de gas. Esta nueva biomasa también puede utilizarse directamente para los biocombustibles.

Existen varias cuestiones sociales, económicas, ambientales y técnicas relacionadas con la producción y el uso de biocombustibles, que han sido debatidas en los medios de comunicación comerciales y revistas científicas: El debate sobre los alimentos y los combustibles, el potencial de reducción de la pobreza, los niveles de emisiones de carbono, la producción sostenible de biocombustibles, la deforestación y la erosión de los suelos, la pérdida de biodiversidad, el impacto en los recursos hídricos, la exclusión social rural y la injusticia, Migración de chabolas, desempleo rural no calificado y emisiones de dióxido de nitrógeno (NO2) (Smith, 2013).

6.1 Desarrollo técnico y generaciones

Al igual que con las consolas de videojuegos, los biocombustibles han sido objeto de mejoras tecnológicas, las cuales ya se han acumulado lo suficiente como para clasificarlos en generaciones técnicas.

6.1.1 Primera generación

Los biocombustibles de "primera generación" o biocombustibles convencionales son biocombustibles producidos a partir de cultivos alimentarios. Con esta generación de producción de biocombustibles, los cultivos alimenticios son explícitamente cultivados para la producción de combustible, lo cual afecta el presio de los alimentos. El azúcar, el almidón o el aceite vegetal obtenido de los cultivos se convierte en biodiesel o etanol, utilizando transesterificación, o fermentación de levadura  (Mohr & Raman, 2013).

6.1.2 Segunda generación

Los biocombustibles de segunda generación son combustibles fabricados a partir de diversos tipos de biomasa. La biomasa es un término amplio que significa cualquier fuente de carbono orgánico que se renueva rápidamente como parte del ciclo del carbono. La biomasa se deriva de materiales vegetales, pero también puede incluir materiales animales. Considerando que los biocarburantes de primera generación se elaboran a partir de azúcares y aceites vegetales que se encuentran en los cultivos herbáceos, los biocombustibles de segunda generación se elaboran a partir de biomasa lignocelulósica o de cultivos leñosos, residuos agrícolas o residuos vegetales [procedentes de cultivos alimentarios] Esto tiene ventajas y desventajas. La ventaja es que, a diferencia de los cultivos alimentarios regulares, no se utiliza tierra arable únicamente para la producción de combustible. La desventaja es que a diferencia de los cultivos alimentarios regulares, puede ser bastante difícil extraer el combustible. Por ejemplo, podría ser necesaria una serie de tratamientos físicos y químicos para convertir la biomasa lignocelulósica en combustibles líquidos adecuados para el transporte  (Thegarid et al., 2014; van Eijck, Batidzirai, & Faaij, 2014).

6.1.3 Tercera generación

De 1978 a 1996, la NREL de los Estados Unidos experimentó el uso de algas como fuente de biocombustibles en el "Programa de Especies Acuáticas"  (Cuellar-Bermudez, Garcia-Perez, Rittmann, & Parra-Saldivar, 2015; Lee & Lavoie, 2013). Un artículo publicado por Michael Briggs, en el UNH Biofuels Group, ofrece estimaciones para el reemplazo realista de todo el combustible vehicular con biocombustibles utilizando algas que tienen un contenido de aceite natural superior al 50%, lo que Briggs sugiere que puede crecer en estanques de algas En las plantas de tratamiento de aguas residuales  (Briggs, 2008). Estas algas ricas en aceite pueden extraerse del sistema y transformarse en biocombustibles, y el resto seco se reprocesa para crear etanol. La producción de algas para la extracción de petróleo para biocombustibles no se ha llevado a cabo todavía a escala comercial, pero se han llevado a cabo estudios de viabilidad para llegar a la estimación de rendimiento anterior. Además de su alto rendimiento proyectado, la algacultura -a diferencia de los biocombustibles basados en cultivos- no implica una disminución en la producción de alimentos, ya que no requiere tierras de cultivo ni agua dulce. Muchas compañías están llevando a cabo biorreactores de algas para diversos propósitos, incluyendo la ampliación de la producción de biocombustibles a niveles comerciales (Efroymson, Dale, & Langholtz, 2017). El Prof. Rodrigo E. Teixeira de la Universidad de Alabama en Huntsville demostró la extracción de lípidos de biocombustibles de algas húmedas usando una reacción simple y económica en líquidos iónicos  (Teixeira, 2012).

6.1.4 Cuarta generación

Esta generación aún se encuentra en sus primeras etapas de investigación ya que se basa en una tecnología nueva, la fotosíntesis artificial. La fotosíntesis artificial es un proceso químico que replica el proceso natural de la fotosíntesis, un proceso que convierte la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno; Como imitación de un proceso natural es biomimética. El término, fotosíntesis artificial, se utiliza comúnmente para referirse a cualquier esquema para capturar y almacenar la energía de la luz solar en los enlaces químicos de un combustible (un combustible solar). La división de agua fotocatalítica convierte el agua en iones de hidrógeno y oxígeno, y es un tema de investigación importante de la fotosíntesis artificial. La reducción de dióxido de carbono impulsada por la luz es otro proceso estudiado, que reproduce la fijación natural de carbono. La investigación de este tema incluye el diseño y montaje de dispositivos para la producción directa de combustibles solares, la fotoelectroquímica y su aplicación en células de combustible, y la ingeniería de enzimas y microorganismos fotoautótrofos para el biocombustible microbiano y la producción de biohidrógeno a partir de la luz solar  (Aro, 2016; Houle & McCrory, 2017; Zhou et al., 2016).

6.2 Otros tipos de biocombustibles

A parte del etanol, en la actualidad existen otros biocombustibles empleados comercialmente.

6.2.1 Biodiesel

El biodiesel es el biocombustible más común en Europa. Se produce a partir de aceites o grasas mediante transesterificación y es un líquido de composición similar al diesel fósil / mineral. Químicamente, consiste principalmente en ésteres de metilo (o etil) de ácidos grasos (FAMEs). Las materias primas para el biodiesel incluyen grasas animales, aceites vegetales, soja, colza, jatropha, mahua, mostaza, lino, girasol, aceite de palma, cáñamo, pennycress de campo, Pongamia pinnata y algas.  El biodiesel se puede utilizar en cualquier motor diesel cuando se mezcla con diesel mineral. En algunos países, los fabricantes cubren sus motores diesel bajo garantía para el uso de B100, aunque por ejemplo, Volkswagen de Alemania pide a los conductores que chequeen por teléfono con el departamento de servicios ambientales de VW antes de cambiar a B100. B100 puede volverse más viscoso a temperaturas más bajas, dependiendo de la materia prima utilizada. En la mayoría de los casos, el biodiesel es compatible con los motores diesel a partir de 1994, que utilizan caucho sintético "Viton" (de DuPont) en sus sistemas de inyección mecánica de combustible. Tenga en cuenta, sin embargo, que ningún vehículo está certificado para usar biodiesel puro antes de 2014, ya que no había ningún protocolo de control de emisiones disponible para biodiesel antes de esta fecha (Atabani et al., 2013; Knothe, Krahl, & Van Gerpen, 2015; Mittelbach, 2004). Otra manera de obtener biodisel es mediante el hidrocrakeo de aceites orgánicos, aunque el problema sigue siendo que el costo de producción sigue siendo mayor que el del diesel mineral  (Knothe, 2010).

6.2.2 Otros alcoholes combustibles diferentes del etanol

El metanol se produce actualmente a partir de gas natural, un combustible fósil no renovable. En el futuro se espera que se produzca a partir de biomasa como biometanol. Esto es técnicamente factible, pero la producción está siendo aplazada debido a que su viabilidad económica todavía está pendiente de ser evaluada  (Suntana, Vogt, Turnblom, & Upadhye, 2009; Vogt et al., 2009). La economía del metanol es una alternativa a la economía del hidrógeno, en comparación con la producción actual de hidrógeno a partir del gas natural. Butanol (C 4H 9OH) se forma mediante fermentación ABE (acetona, butanol, etanol) y las modificaciones experimentales del proceso muestran ganancias netas de energía potencialmente altas con butanol como el único producto líquido. Butanol producirá más energía y supuestamente puede ser quemado "recto" en motores de gasolina existentes (sin modificación al motor o al coche) (Dürre, 2007; H. Liu, Wang, & Zhang, 2013; Shapovalov & Ashkinazi, 2008; Tigunova, Shulga, & Blume, 2013),  y es menos corrosivo y menos soluble en agua que el etanol, y podría ser distribuido a través de las infraestructuras existentes. DuPont y BP están trabajando juntos para ayudar a desarrollar butanol. Las cepas de E. coli también han sido manipuladas con éxito para producir butanol modificando su metabolismo de aminoácidos  (Evans, 2008).

6.2.3 Biogasolina

La gasolina de octanaje perfecto 2,2,4-trimetilpentano es una molécula orgánica relativamente simple, ¿Qué poasaría si podemos modificar a las bacterias para que lo sinteticen por nosotros? ¿O que sean capaces de sintetizar sustancias con un cotanaje semejante al de la gasolina? En 2013 los investigadores del Reino Unido desarrollaron una cepa genéticamente modificada de Escherichia coli (E.Coli), que podría transformar la glucosa en gasolina de biocombustible que no necesita ser mezclada  (Summers, 2013). Más tarde, en 2013, los investigadores de la UCLA diseñaron una nueva vía metabólica para evitar la glucólisis y aumentar la tasa de conversión de los azúcares en biocombustible  (Bogorad, Lin, & Liao, 2013), mientras que los investigadores de KAIST desarrollaron una cepa capaz de producir alcanos de cadena corta, ácidos grasos libres, ésteres grasos y alcoholes grasos.

6.3 Debates socio-ambientales de los biocombustibles

Hay varios aspectos sociales, económicos, ambientales y técnicos con la producción y el uso de biocombustibles, que han sido discutidos en los medios de comunicación populares y revistas científicas. Estos son: el efecto de la moderación de los precios del petróleo, el debate "alimentos versus combustible", los precios de los alimentos, el potencial de reducción de la pobreza, la relación energética, las necesidades energéticas, los niveles de emisiones de carbono, la producción sostenible de biocombustibles, la deforestación y la erosión del suelo; ] Las repercusiones sobre los recursos hídricos, las posibles modificaciones necesarias para hacer funcionar el motor en los biocombustibles, así como el equilibrio y la eficiencia energética  (Cotton et al., 2015). El Panel Internacional de Recursos, que proporciona evaluaciones científicas independientes y asesoramiento de expertos sobre una variedad de temas relacionados con los recursos, evaluó las cuestiones relacionadas con el uso de biocombustibles en su primer informe Hacia una producción y uso sostenible de los recursos: Evaluación de los biocombustibles, esbozó los factores más amplios e interrelacionados que deben ser considerados al decidir sobre los méritos relativos de perseguir un biocombustible sobre otro. Se llegó a la conclusión de que no todos los biocombustibles funcionan igualmente en términos de su impacto en el clima, la seguridad energética y los ecosistemas, y sugirió que los impactos ambientales y sociales deben ser evaluados a lo largo de todo el ciclo de vida. Otro problema con el uso y la producción de biocombustibles es que Estados Unidos ha cambiado de mandatos muchas veces debido a que la producción ha estado tomando más tiempo de lo esperado.  

6.3.1 Sostenibilidad de los biocombustibles

Los biocombustibles en forma de combustibles líquidos derivados de materiales vegetales están entrando en el mercado, impulsados principalmente por la percepción de que reducen las emisiones de gases del clima, y también por factores como el aumento de los precios del petróleo y la necesidad de aumentar la seguridad energética. Sin embargo, muchos de los biocombustibles que se suministraron en 2008 (utilizando el procedimiento de producción de biocombustibles de primera generación) han sido criticados por sus impactos adversos sobre el medio ambiente natural, la seguridad alimentaria y el uso de la tierra  (Elshout et al., 2015; Lark, Salmon, & Gibbs, 2015; Searchinger et al., 2008). En 2008, el químico ganador del premio Nobel Paul J. Crutzen publicó los hallazgos de que la liberación de las emisiones de óxido nitroso (N2O) en la producción de biocombustibles significa que en general contribuyen más al calentamiento global que los combustibles fósiles que reemplazan  (Crutzen, Mosier, Smith, & Winiwarter, 2016). 

El desafío de entonces era apoyar el desarrollo de biocombustibles, incluyendo el desarrollo de nuevas tecnologías celulósicas, con políticas responsables e instrumentos económicos para ayudar a asegurar que la comercialización de biocombustibles sea sostenible. La comercialización responsable de los biocombustibles representa una oportunidad para mejorar las perspectivas económicas sostenibles en África, América Latina y Asia  (Byerlee, Stevenson, & Villoria, 2014; Hertel, Ramankutty, & Baldos, 2014). Según el Rocky Mountain Institute, las buenas prácticas de producción de biocombustibles no obstaculizarían la producción de alimentos y fibras, ni causarían problemas de agua o ambientales, y mejorarían la fertilidad de los suelos  (Lovins & Datta, 2005). La selección de terrenos para el cultivo de las materias primas es un componente crítico de la capacidad de los biocombustibles para ofrecer soluciones sostenibles. Una consideración clave es la minimización de la competencia de los biocombustibles para las tierras de cultivo de primera  (Mazza, 2007).

6.3.2 Deuda de carbono

Algunos científicos han expresado su preocupación por el cambio en el uso de la tierra en respuesta a una mayor demanda de cultivos para el uso de biocombustible y las subsiguientes emisiones de carbono  (Searchinger et al., 2008). El período de amortización, es decir, el tiempo que tomará los biocombustibles para pagar la deuda de carbono que adquieren debido al cambio en el uso de la tierra, se estima entre 100 y 1000 años, dependiendo de la instancia específica y la ubicación del uso de la tierra cambio. Sin embargo, las prácticas de plantación directa combinadas con prácticas de cultivos de cobertura pueden reducir el período de amortización a tres años para la conversión de los pastizales ya 14 años para la conversión de los bosques  (Kim, Kim, & Dale, 2009). La producción de estos tipos de biocombustibles no sólo condujo a una mayor emisión de dióxido de carbono, sino también a una menor eficiencia de los bosques para absorber los gases que estas granjas emitían. Esto tiene que ver con la cantidad de combustible fósil que implica la producción de cultivos de combustible. 

Además, el uso intensivo de la agricultura de monocultivo requiere grandes cantidades de riego de agua, así como de fertilizantes, herbicidas y pesticidas. Esto no sólo conduce a productos químicos venenosos a dispersarse en el agua de escorrentía, sino también a la emisión de óxido nitroso (NO2) como un subproducto de fertilizante, que es trescientas veces más eficiente en la producción de un efecto invernadero que el dióxido de carbono (CO2) (Runge & Senauer, 2007). La conversión de bosques tropicales, turberas, sabanas o praderas para producir biocombustibles basados en cultivos alimentarios en Brasil, el sudeste de Asia y Estados Unidos crea una "deuda de carbono de biocombustibles" al liberar de 17 a 420 veces más CO2 que las reducciones anuales de gases de efecto invernadero (GEI) Que estos biocombustibles proporcionaría mediante el desplazamiento de los combustibles fósiles. Los biocombustibles producidos a partir de biomasa de desecho o de biomasa cultivada en tierras agrícolas abandonadas tienen poca o ninguna deuda de carbono (Fargione, Hill, Tilman, Polasky, & Hawthorne, 2008).

La gran mayoría de estos problemas se debe a que la tecnología de producción comercial de biocombustibles se ha concentrado en biocombustibles de primera o segunda generación, evidentemente los biocombustibles de tercera generación poseen una menor deuda de carbono o inclusive puede ser nula. La eficiencia de las algas recae en que su biomasa corporal es menor con respecto a la energía que almacenan, por lo que debería ser más eficiente una vez que la tecnología del bioreactores adecuado sea alcanzada, sin embargo esto requiere financiamiento e interés corporativo.

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