Biorefinerías: convirtiendo la biomasa en el petróleo del futuro

Dr. Jose M. Bermudez

Por mucho que Donald Trump lo niegue, el cambio climático es real y tenemos que actuar para paliar sus consecuencias. La descarbonización de nuestro modelo productivo (es decir, minimizar o incluso suprimir nuestras emisiones de gases de efecto invernadero) se ha convertido en uno de los mayores retos a los que científicos, tecnólogos y responsables políticos nos tenemos que enfrentar. En los últimos años, las tecnologías verdes o limpias (como se conoce a aquellas que emiten pocos o ningún gas de efecto invernadero) están empezando a ganar la batalla a las energías fósiles en el sector eléctrico y la contribución de las energías renovables (en especial la solar y la eólica) está creciendo rápidamente en todo el mundo. A pesar de este mayor protagonismo, las tecnologías limpias aun no son capaces de cubrir todas nuestras necesidades y por eso aún no estamos reduciendo las emisiones en áreas que generan una gran cantidad gases de efecto invernadero como la generación de calor, los combustibles o la manufactura de productos químicos.

Figura 1. Diagrama simplificado de los procesos que tienen lugar en una refinería y los productos que se pueden obtener del petróleo.

Los combustibles y la mayoría de los productos químicos que utilizamos hoy en día se producen en refinerías provienen del petróleo. En las refinerías, el petróleo sufre una serie de transformaciones mediante procesos que tienen nombres llamativos (como destilación fraccionada, craqueo catalítico, visbreaking…). El objetivo final de estos procesos es convertir un material muy complejo y sin utilidad en otros productos con multitud de aplicaciones. Sin embargo, desde el punto de vista químico, esto se resume en convertir una enrevesada mezcla de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno (junto con otros componentes minoritarios como metales, azufre o nitrógeno) en moléculas más simples (ver Figura 1).

Echemos un ojo ahora la materia orgánica que tiene un origen biológico (plantas, residuos orgánicos de nuestras casas, residuos agrícolas y ganaderos…) y que comúnmente se llama biomasa. La biomasa (a ver si esto te suena), desde el punto de vista químico, es básicamente una enrevesada mezcla de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno (junto con otros componentes minoritarios como metales, azufre o nitrógeno)… ¡efectivamente! Es lo mismo que el petróleo. Bueno, no exactamente lo mismo, ya que tienen diferencias como el contenido de esos componentes o la forma en que están organizados. Por ejemplo, el petróleo es más rico en carbono mientras que la biomasa tiene mayores contenidos de oxígeno. Entonces, si la biomasa y el petróleo son tan parecidos…¿por qué no cambiamos de materia prima y empezamos a generar productos químicos y combustibles de manera más sostenible? Esa es la idea que persigue el desarrollo de las biorefinerías.

La primera pregunta que surge es: si son tan similares, ¿por qué es tan difícil dejar de usar petróleo y empezar a usar biomasa en su lugar? Seguro que has oído alguna vez lo poderosa e influyente que es la industria petrolera. Pues bueno, aceptando eso como una realidad y un posible obstáculo para el futuro, lo cierto es que, hoy en día, la mayoría de las barreras son técnicas. No podemos transformar la biomasa utilizando exactamente los mismos procesos que se emplean para transformar el petróleo. Aquí es donde esas diferencias que comentamos antes, como el contenido y la organización de los componentes principales, juegan un papel clave, ya que afectan en gran medida a la forma en que el petróleo y la biomasa reaccionan y en los productos que se generan durante su transformación. Por ejemplo, simplemente con calentar el petróleo logramos que se divida en varias fracciones más sencillas. Cada una de esas fracciones, a través de una serie procesos, se pueden convertir en gasolina, queroseno, ceras, lubricantes o gases combustibles. Sin embargo, si simplemente calentamos la biomasa obtenemos solo tres fracciones (sólida, líquida y gaseosa) que son aun tan complejas que requieren una gran cantidad de transformaciones antes de convertirse en productos útiles.

Figura 2. Diagrama que muestra las rutas potenciales para la transformación de la biomasa, posibilidades para la integración entre rutas y procesos y algunos productos que se pueden obtener.

Además, a pesar de que hay muchos tipos de petróleo (dependiendo básicamente de su origen geográfico) el procesado de todos ellos es bastante similar. Esto ha permitido a la industria del petróleo utilizar procesos muy establecidos y estandarizados, que no varían mucho de una refinería a otro. Por el contrario, la biomasa es mucho mas variable. Cojamos dos ejemplos típicos de biomasa: residuos forestales y residuos orgánicos de vertedero. Los dos son básicamente carbono, hidrogeno y oxigeno, pero su densidad, morfología, humedad o contenido inorgánico son muy diferentes. Esta variabilidad tiene aspectos positivos y negativos. La parte mala es que es que hay muchas maneras (por tanto, muchos procesos) de transformar la biomasa en productos útiles. Eso hace muy difícil lograr un diseño ingenieril estandarizado, lo que aumenta los costes del equipamiento durante su desarrollo y dificulta el despliegue de la tecnología. La parte buena es que, una vez que los procesos estén desarrollados, el procesado de la biomasa será mucho más versátil y dará lugar a un mercado más estable y capaz de adaptarse si surgen imprevistos (ver Figura 2).

¿Cuál es el estado actual del desarrollo de las biorefinerías? Bueno, eso depende del proceso al que nos refiramos. Hay tecnologías, como la gasificación o la digestión anaerobia, que ya se utilizan industrialmente. A partir de 2022, el Reino Unido contará con mas de 60 MW de potencia eléctrica instalada en plantas que utilizan gasificación de biomasa, mientras que Alemania esta inyectando biogás (un equivalente al gas natural producido mediante digestión anaeróbica de biomasa) en su red de gas natural. Sin embargo, procesos como la pirólisis, la fermentación o la hidrólisis aún están lejos de utilizarse a gran escala. Esto significa que hay partes de lo que podría ser una biorefinería que ya están disponibles comercialmente mientras que otras aún necesitan más desarrollo. Además, uno de los grandes retos que aun tienen que afrontar las biorefinerías en la integración de las diferentes unidades que las compondrían en una sola instalación lo más optimizada posible. En este sistema integrado, por ejemplo, el exceso de energía liberado en una operación se podría utilizar en otra o los subproductos de un proceso se podrían utilizar en otro proceso de la propia biorefinería para generar otros productos útiles.

De cualquier forma, e independientemente del estado de desarrollo que han alcanzado, todas las tecnologías que podrían utilizarse en una biorefinería todavía necesitan disminuir su coste para poder ser competitivas frente a las tecnologías que utilizan combustibles fósiles. No hay que perder de vista que la industria del petróleo cuenta con más de cien años de ventaja en cuanto a desarrollo tecnológico (y fuerte inversiones publicas) que le ha permitido optimizar sus procesos y minimizar costes. Pero las tecnologías limpias ya han recorrido parte del camino para convertirse en un competidor sostenible para la industria del petróleo y las necesitamos si queremos minimizar el impacto del cambio climático. Tras años trabajando en el desarrollo de procesos termoquímicos de transformación de biomasa (como pirólisis, gasificación o catálisis) creo que estamos cada vez más cerca de cubrir nuestras necesidades de una forma sostenible y las biorefinerías son parte de la solución.

 

Por el Dr. Jose M. Bermudez. Senior Energy Engineer, Department for Business, Energy & Industrial Strategy. Honorary Research Fellow, Chemical Engineering Department, Imperial College London. Delegación CERU-Londres

 

Más información:

Institution of Biorefinery Engineers, Scientists and Technologists, www.theibest.org

Sadhukhan, J., Ng, K. S., & Hernandez, E. M. (2014). Biorefineries and chemical processes: design, integration and sustainability analysis. John Wiley & Sons.

 

 

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