Biodiésel y diésel renovable: ¿cuál es la diferencia?

El diésel a base de biomasa ha desempeñado durante mucho tiempo un papel importante en el cumplimiento de los mandatos de combustibles renovables (RFS) de EE. UU. (p. ej., farmdoc daily, 19 de julio de 2017). Los dos tipos principales de combustibles diésel a base de biomasa utilizados para cumplir con los mandatos de RFS son el "biodiésel" y el "diésel renovable". Históricamente, la producción de biodiesel ha superado sustancialmente la producción de diesel renovable. Esto comenzó a cambiar en los últimos años debido a un auge en la construcción de capacidad de producción de diésel renovable. El auge ha sido lo suficientemente grande como para tener un impacto sustancial en el precio de las materias primas de grasas y aceites utilizadas para producir diesel a base de biomasa. Este artículo es el primero de una serie que examinará el auge del diésel renovable y su impacto en la agricultura estadounidense.

Comenzamos la serie de hoy con una discusión sobre las diferencias entre el biodiesel y los combustibles diesel renovables. Actualmente, los combustibles diésel a base de biomasa se producen a partir de materias primas de lípidos orgánicos que contienen ácidos grasos libres, como aceites vegetales, grasas animales o grasa reciclada (AFDC, 2022a,b). Si bien el biodiésel y el diésel renovable se clasifican como combustibles diésel a base de biomasa y se pueden producir utilizando la misma materia prima, son tipos de combustible claramente diferentes que difieren en varias características importantes.

El biodiésel, a menudo denominado biodiésel FAME o simplemente FAME, se produce mediante un proceso conocido como transesterificación (FAME significa éster metílico de ácido graso). La transesterificación convierte las grasas y los aceites orgánicos en ésteres alquílicos de ácidos grasos haciéndolos reaccionar con alcoholes y catalizadores (AFDC, 2022a). El metanol normalmente sirve como reactivo y crea ésteres metílicos de ácidos grasos. Durante el proceso de transesterificación, normalmente se hacen reaccionar 100 libras de aceite o grasa vegetal con 10 libras de metanol para producir alrededor de 100 libras de biodiesel y 10 libras de glicerol. De manera equivalente, se requieren alrededor de 7.5 libras de materia prima para producir un galón de biodiesel y 0.9 libras de glicerina (farmdoc daily, 15 de febrero de 2022). Existen varios usos tanto para el glicerol crudo como para el refinado, típicamente llamado glicerina, con un contenido de glicerol de alrededor del 80 por ciento. El glicerol se puede usar en alimentos para animales o en una variedad de procesos químicos.

En la Figura 1 se proporciona un esquema del proceso de producción de biodiésel FAME. El esquema representa lo que se conoce como un proceso de producción "continuo". Los procesos por lotes también se utilizan en plantas de biodiésel más antiguas y más pequeñas. Los pasos del proceso de producción son similares para ambos tipos de procesos, excepto que la fase del reactor es mucho más larga en el proceso por lotes.

Como se muestra en la Figura 1, la materia prima primero se trata previamente para eliminar las impurezas. Luego, la materia prima tratada se precalienta a alrededor de 130 grados Fahrenheit. Mientras la materia prima se precalienta, se prueba su calidad para determinar el contenido de ácidos grasos libres. Manteniendo constante la temperatura, la materia prima se carga en el reactor junto con metanol y catalizadores básicos y, rara vez en los EE. UU., enzimas. Luego, la mezcla se agita hasta que se completa la reacción química, a menudo en tan solo una hora. Una vez completada la reacción, se deja reposar la mezcla de reacción durante varias horas. Durante este tiempo, la glicerina y el biodiésel se separan, depositándose la glicerina en el fondo del reactor y el biodiésel en la parte superior debido a la diferencia de densidad. Cuando pasa el tiempo de sedimentación, el glicerol se separa de los ésteres metílicos por drenaje del fondo del reactor. La glicerina se purifica eliminando el exceso de metanol y luego se almacena en un tanque. Los ésteres metílicos se transfieren a un tanque diferente donde se lavan con agua, muchas veces hasta que el agua sale clara. El lavado elimina cualquier resto de catalizador, jabón, sal, metanol y glicerina restante de los ésteres metílicos. Después del lavado, los ésteres metílicos se someten a un extenso proceso de secado hasta que se elimina por completo la humedad restante. Finalmente, el biodiesel de ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME) se almacena en tanques listos para su consumo.

El biodiésel FAME puro creado a partir de este proceso se conoce en la industria como B100. Es importante enfatizar que FAME no es un combustible de hidrocarburo como el diésel de petróleo y, por lo tanto, difiere del diésel de petróleo en varios aspectos clave (Brown, 2020). Primero, el biodiesel FAME contiene oxígeno, lo que hace que FAME tenga aproximadamente un siete por ciento menos de energía por volumen. En segundo lugar, el mayor contenido de oxígeno de FAME puede limitar el tiempo que puede almacenarse debido a la oxidación que provoca la corrosión. En tercer lugar, la composición química de FAME puede hacer que sea más susceptible a la contaminación microbiana cuando existe una mala gestión de los tanques de almacenamiento, lo que puede provocar la corrosión de los tanques de almacenamiento y la obstrucción de las líneas de combustible. Cuarto, el biodiesel FAME tiene una temperatura relativamente alta donde comenzará a congelarse y formar cristales visibles. Esto se conoce en términos técnicos como el punto de enturbiamiento del combustible. Por ejemplo, el punto de enturbiamiento del biodiésel FAME elaborado con aceite de soja es de aproximadamente 34 grados Fahrenheit en comparación con los 16 grados Fahrenheit del diésel de petróleo. Si el proceso de congelación continúa, el combustible eventualmente se solidificará por completo, una condición conocida como "gelificación". Una vez que ocurre la gelificación, el combustible solidificado no fluirá a través de las líneas de combustible. Por estas razones, el biodiesel FAME se mezcla con diesel de petróleo para el consumo final. Las mezclas comunes incluyen B5 (hasta 5 por ciento de biodiesel) y B20 (6 a 20 por ciento de biodiesel).

Además de algunos de los retos a los que se enfrenta el uso del biodiésel, aporta otros aspectos positivos para los usuarios. Por ejemplo, el biodiesel tiene características de lubricidad deseables debido a su composición química. Esta característica ayuda a prevenir el desgaste prematuro del motor.

El diesel renovable, a veces denominado aceite vegetal hidrotratado (HVO) o diesel verde, se produce mediante varios procesos de producción. En los EE. UU., el proceso más común se conoce como hidroprocesamiento o hidrotratamiento (AFDC, 2022b). El proceso de hidrotratamiento es paralelo al proceso utilizado para "descomponer" el petróleo crudo en gasolina, diesel y otros productos derivados del petróleo en una refinería de petróleo crudo. En consecuencia, las instalaciones de producción de diesel renovable son cada vez más partes convertidas de refinerías de petróleo crudo o conversiones completas de refinerías. Algunas son instalaciones de refinería completamente nuevas. Existe la posibilidad de cambiar entre el petróleo crudo y la refinación de aceites y grasas orgánicas para todas las tecnologías si las condiciones económicas lo exigen. Debido a que la tecnología de refinación de petróleo crudo se usa para producir diesel renovable, los costos de capital son sustancialmente más altos para la producción de diesel renovable en comparación con la producción de FAME.

La Figura 2 presenta un esquema de producción de diésel renovable mediante hidrotratamiento. Al igual que el proceso de producción de FAME, las impurezas deben eliminarse antes de comenzar el proceso de refinación. El siguiente paso es la entrada de materia prima renovable tratada e hidrógeno al reactor de hidrotratamiento, donde fluyen sobre un lecho de catalizador de partículas sólidas. En esta etapa, el catalizador desencadena reacciones de hidrógeno con la materia prima a alta temperatura y presión, formando principalmente moléculas de agua e hidrocarburos líquidos que son adecuadas para su uso como combustible con procesamiento adicional. Después del hidrotratamiento, la mezcla de productos del reactor se traslada a una unidad de separación donde el vapor y otros gases de productos ligeros se eliminan como vapor y el hidrocarburo líquido hidrogenado abandona el proceso, que consiste principalmente en alcanos de cadena larga. Luego, la corriente líquida pasa a través de una serie de columnas de destilación, separando los productos por sus puntos de ebullición. Además de producir diésel renovable, también produce coproductos como gas combustible, GLP y nafta. Los requisitos de materia prima para la producción de diesel renovable son mayores que para el biodiesel y varían según las proporciones finales de los coproductos deseados del proceso de producción. La razón por la cual los requisitos de materia prima son mayores es que se pierde una mayor cantidad de material durante el proceso de producción de diesel renovable. Si bien existe una gran variación en la industria de producción de diésel renovable, un punto de referencia razonable es que se utilizan aproximadamente 8 libras de materia prima para producir 1 galón de diésel renovable y cantidades menores de nafta y propano (Xu, et. al., 2022). ).

El diesel renovable es fundamentalmente diferente del biodiesel FAME, ya que solo contiene hidrógeno y carbono, lo que lo convierte en un combustible de hidrocarburo al igual que el diesel de petróleo. Si bien no es idéntico al diésel de petróleo, el diésel renovable está tan cerca que se considera un reemplazo "directo" del diésel de petróleo. En otras palabras, no es necesario mezclar el diésel renovable con el diésel de petróleo para que se utilice como combustible "específico" en los motores diésel modernos. La naturaleza directa del diesel renovable es una ventaja significativa sobre el biodiesel FAME. El diesel renovable tiene un contenido de energía algo más bajo en comparación con el diesel de petróleo (cuatro por ciento menos por volumen), pero esto puede compensarse con otras propiedades deseables del diesel renovable (Brown, 2020).

Finalmente, tenga en cuenta que existen productos combinados, como 5 por ciento de diésel renovable con 95 por ciento de diésel de petróleo (R5) y 20 por ciento de diésel renovable con 80 por ciento de petróleo (R20) (EIA, 2020). Si se mezcla diésel renovable, los dos combustibles son tan similares que se requiere la datación por carbono para distinguir entre el carbono fósil del diésel de petróleo y el carbono orgánico del diésel renovable (Brown, 2020). También se debe tener en cuenta que no es inusual que una pequeña cantidad de biodiésel se mezcle con diésel renovable con fines de lubricidad.

El auge de la producción de diesel renovable ha planteado una gran cantidad de preguntas sobre los impactos potenciales en la agricultura estadounidense. Para responder a estas preguntas, es crucial primero tener una comprensión clara de cómo el diésel renovable difiere del biodiésel FAME, históricamente el más importante de los dos combustibles renovables. Si bien se utilizan las mismas materias primas de grasas y aceites orgánicos para fabricar ambos combustibles, los procesos de producción son radicalmente diferentes. El biodiesel utiliza un proceso de producción de reacción química relativamente simple. Por esta razón, el biodiésel normalmente se mezcla con diésel de petróleo para su uso en motores diésel modernos. Por el contrario, el diesel renovable se refina y se descompone por completo utilizando tecnología de refinación de petróleo. Esto da como resultado un combustible de hidrocarburo "directo" que cumple con las mismas especificaciones técnicas que el diesel de petróleo y, como tal, puede usarse como un reemplazo completo del diesel de petróleo.

El próximo artículo de esta serie examinará el marco económico básico para los mercados de biodiesel y diesel renovable y las políticas que brindan apoyo al sector.

1 Esta investigación fue financiada [en parte] por el Departamento de Agricultura de EE. UU., Servicio de Investigación Económica. Los hallazgos y conclusiones de esta publicación pertenecen al autor(es) y no deben interpretarse como representación de ninguna determinación o política oficial del USDA o del gobierno de los EE. UU.

Centro de Datos de Combustibles Alternativos, Departamento de Energía de EE.UU. Datos del combustible biodiesel, 2022a. https://afdc.energy.gov/fuels/biodiesel_basics.html

Centro de Datos de Combustibles Alternativos, Departamento de Energía de EE.UU. Biocombustibles de hidrocarburos renovables, 2022b. https://afdc.energy.gov/fuels/emerging_hydrocarbon.html

Brown, TR "Diesel a base de biomasa: un análisis de mercado y rendimiento". Instituto de combustibles, marzo de 2020. https://www.fuelsinstitute.org/Research/Reports/Biomass-Based-Diesel-A-Market-and-Performance-Anal

Irwin, S. "2021 fue un año devastador para las ganancias de producción de biodiesel". farmdoc daily (12):21, Departamento de Economía Agrícola y del Consumidor, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, 16 de febrero de 2022.

Irwin, S. y D. Bueno. "Llenando los vacíos en el estándar de combustibles renovables con biodiesel". farmdoc daily (7):130, Departamento de Economía Agrícola y del Consumidor, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, 19 de julio de 2017.

Xu, Hui, L. Ou, Y. Li, T. Hawkins y M. Wang. "Ciclo de vida de las emisiones de gases de efecto invernadero de la producción de biodiésel y diésel renovable en los Estados Unidos". Ciencia y tecnología ambiental, 2022(56):7512-7521. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.2c00289

Descargo de responsabilidad: solicitamos a todos los lectores, medios electrónicos y otros que sigan nuestras pautas de citas cuando vuelvan a publicar artículos de farmdoc diariamente. Las pautas están disponibles aquí. El sitio web diario farmdoc se encuentra bajo los derechos de autor y propiedad intelectual de la Universidad de Illinois. Para obtener una declaración detallada, consulte la Información y políticas de derechos de autor de la Universidad de Illinois aquí.