Libro Bioetanol

8/14/2019 Libro Bioetanol

1/320Bioetanol-00 Espanhol.indd 1Bioetanol-00 Espanhol.indd 1 11/11/2008 11/11/2008


2/320

B615b Bioetanol de caa de azcar : energa para el desarrollosostenible / coordinacin BNDES y CGEE. Rio de Janeiro : BNDES,2008.

320 p.

ISBN: 978-85-87545-26-8

1. Bioenerga. 2. Biocombustible. 3. Bioetanol. 4. Caa deazcar. I. Banco Nacional de Desenvolvimento Econmico e Social. II.Centro de Gesto e Estudos Estratgicos.

CDD 333.953

Bioetanol-00 Espanhol.indd 2Bioetanol-00 Espanhol.indd 2 11/11/2008 11/11/2008


3/320

Equipo Tcnico

Coordinacin BNDES e CGEE

BNDESArmando Mariante Carvalho JuniorJulio Cesar Maciel RamundoCarlos Eduardo de Siqueira CavalcantiPaulo de S Campello Faveret Filho (supervisin)Nelson Isaac Pfefer (supervisin)Sergio Eduardo Silveira da Rosa

Artur Yabe Milanez

CGEEAntonio Carlos GalvoMarcelo Khaled Poppe

Organizacin y responsabilidad tcnica

Luiz Augusto Horta Nogueira Unifei

Redaccin y consultoraLuiz Augusto Horta Nogueira Unifei

Joaquim Eugnio Abel Seabra UnicampGustavo Best consultor FAO/CepalManoel Regis Lima Verde Leal CeneaMarcelo Khaled Poppe CGEE

Colaboracin institucional Cepal y FAO

Cepal

Adrin RodrguezJos Javier GmezJoseluis SamaniegoManlio CovielloMartine Dirven

FAO

Alberto SaucedoGuilherme Schuetz

Isaias de Carvalho Macedo UnicampJoo Carlos Ferraz BNDESLuis Augusto Barbosa Cortez Unicamp

Marcio Nappo UnicaRafael Capaz UnifeiRafael Pontes Feij BNDESRogrio Cezar de Cerqueira Leite UnicampTammy Klein IFQC

Agradecimientos

Adhemar Altieri UnicaAlfred Szwarc UnicaAluysio Antonio da Motta Asti BNDES

Andr Correa do Lago MREAntonio Barros de Castro BNDESAntonio Dias Leite consultorArnaldo Vieira de Carvalho BIDEdmar Fagundes de Almeida UFRJ



5/320

ndice

Prefacio 13

Presentacin 17

1. Bioenerga y biocombustibles 23

1.1 Fundamentos de la bioenerga 251.2 Evolucin de la bioenerga y de los biocombustibles 32

2. Etanol como combustible vehicular 39

2.1 Dimensiones tcnicas y ambientales del uso del etanol 412.2 Aspectos econmicos e institucionales del etanol combustible 54

2.3 Cadenas logsticas para el etanol 60

3. Produccin de bioetanol 67

3.1 Materias primas y tecnologas de produccin del bioetanol 693.2 Bioetanol de caa de azcar 723.3 Bioetanol de maz 833.4 Bioetanol de otras materias primas 893.5 Productividad, emisiones y balances energticos 92

4. Coproductos del bioetanol de caa de azcar 103

4.1 Azcar y derivados 1054.2 Bioelectricidad 108

4.3 Otros coproductos del bioetanol de caa de azcar 1185. Tecnologas avanzadas en la agroindustria de la caa de azcar 123

5.1 Hidrlisis de residuos lignocelulsicos 1255.2 Gasificacin para la produccin de combustibles y electricidad 1335.3 Uso del bioetanol como insumo petroqumico o alcoholqumico 1405.4 Produccin de plsticos biodegradables 1435.5 Biorrefinera: mltiples productos y uso integral de la materia prima 147

6. Bioetanol de caa de azcar en Brasil 151

6.1 Evolucin del bioetanol combustible en Brasil 1536.2 Agroindustria de la caa de azcar en Brasil 1626.3 Investigacin y desarrollo tecnolgico 169

7. Sostenibilidad del bioetanol de caa de azcar: la experiencia brasilea 179

7.1 Ambiente y energa de la caa de azcar 1817.2 Uso del suelo 196



6/320

7.3 Viabilidad econmica del bioetanol de caa de azcar 2037.4 Generacin de empleo y renta en la agroindustria del bioetanol 2097.5 Certificacin y sostenibilidad en la agroindustria del bioetanol 217

8. Perspectivas para un mercado mundial de biocombustibles 2218.1 Potencial global para la produccin de biocombustibles 2238.2 Oferta y demanda de biocombustibles: escenario actual 2298.3 Proyecciones de oferta y demanda de bioetanol en 20102015 2348.4 Polticas de apoyo y fomento a los biocombustibles 2498.5 Vnculos entre alimentos y bioenerga 2538.6 Factores de induccin para un mercado global de bioetanol 265

9. Una visin de futuro del bioetanol como combustible 273

Anexos 283

Referencias 289



7/320

ndice de recuadros, figuras, grficos y tablas

Recuadros

El etanol en motores aeronuticos 53Las posibilidades del azcar orgnico 107Evolucin de la produccin de electricidad en una planta brasilea 115Primeros pasos de la etanolqumica en Brasil 142Mejoramiento gentico y disponibilidad de cultivares 171

Figuras

1 El proceso de fotosntesis 262 Pluviosidad media anual 283 Vas tecnolgicas para produccin de bioenerga 324 Solubilidad de agua en mezclas gasolina/etanol 475 Modelo de produccin, stock y demanda de etanol 616 Logstica de la gasolina y del etanol en Brasil 637 Rutas tecnolgicas para la produccin de bioetanol 708 Estructura tpica de la biomasa de la caa 739 Distribucin de las 350 plantas de procesamiento de caa de azcar en Brasil 7510 Diagrama del movimiento de la produccin de azcar y bioetanol de caa 7911 Estructura tpica de la biomasa del maz 8412 Distribucin de la produccin de maz en los Estados Unidos 84

13 Organigrama del proceso de molienda hmeda para la produccin de bioetanol conmaz 8714 Organigrama del proceso de molienda seca para la produccin de bioetanol conmaz 8815 Diagrama del ciclo de vida de un biocombustible 9316 Anlisis de sensibilidad del uso de la energa y de relacin consumo/produccin deenerga en la produccin de caa de azcar en el escenario actual (2005/2006) 9717 Anlisis de sensibilidad de las emisiones de GEE en la produccin de bioetanol de caade azcar en el escenario actual (2005/2006) 9818 Configuracin usual del sistema de cogeneracin en la agroindustria de la caa 11019 Esquema del proceso de produccin de etanol por medio de la hidrlisis de la

biomasa 12620 Representacin esquemtica de un sistema BIG/GT-CC 13521 Flujograma general para la produccin de metanol, hidrgeno y disel va gasificacinde biomasa (Fischer-Tropsch) 138



8/320

22 Diagrama de flujo de la produccin de PHB a base de azcar de caa 14523 Ciclo integrado completo agro-biocombustible-biomaterial-bioenerga para tecnologassostenibles 147

24 Localizacin de los nuevos ingenios de azcar y etanol en Brasil 16525 Ocupacin porcentual de las principales variedades de caa de azcar en Brasil de 1984a 2003 17226 Ejemplo de una imagen tomada por un satlite, utilizada para el monitoreo de lacobertura vegetal 19327 Potencial del cultivo de caa sin irrigacin 20028 Potencial del cultivo de caa con irrigacin de salvacin 20029 reas cultivadas con plantaciones de caa de azcar 20230 Visin general de los elementos principales usados en la metodologa de la evaluacindel potencial bioenergtico 22431 Contribucin de la bioenerga a la oferta primaria y secundaria de energa en el ao

2007 230

Grficos

1 Usos de la superficie cultivable en la Tierra 292 Participacin de la bioenerga en la oferta interna de energa en Brasil 343 Contribucin de la bioenerga en funcin de la renta per capita 354 Evolucin de las emisiones de vehculos nuevos en Brasil 505 Precio de indiferencia del etanol anhidro en funcin del precio del azcar 556 Precio internacional del azcar (Contrato n 11 NYBOT) 567 Precios de indiferencia del etanol frente al azcar y internacional de la gasolina 57

8 Productividad promedio de etanol por rea para diferentes cultivos energticos 719 Distribucin de la produccin mundial de etanol en el ao 2006 7210 Principales pases productores de caa de azcar en el ao 2005 7311 Consumo de azcar per capita en diversos pases 10812 Posibilidad de instalacin de sistemas de cogeneracin en las plantas de azcar ybioetanol en el Estado de So Paulo, en los prximos aos 11413 Valor del bagazo utilizado para producir electricidad 11614 Valor del bagazo utilizado para la produccin de etanol 11715 Uso de energa (a) y emisiones de GEI (Gases de Efecto Invernadero) (b) para laproduccin de plsticos 14416 - Evolucin de la produccin de caa de azcar, etanol y azcar en Brasil 159

17 Promedio de concentracin de etanol anhidro en la gasolina brasilea 16018 Evolucin de la produccin de vehculos a etanol hidratado y de su participacin en lasventas de vehculos nuevos 16019 Fuentes primarias de energa utilizadas en Brasil en el ao 2007 161



9/320

20 Distribucin de la capacidad anual de procesamiento de las plantas de azcar y etanolen Brasil 16321 Perfiles de produccin de los ingenios de azcar y etanol en Brasil en la cosecha

2006/2007 16422 Evolucin de la productividad agrcola, industrial y agroindustrial de los ingenios deazcar y etanol en Brasil 16723 Evolucin de los precios pagados a los productores de etanol en Brasil 16824 Consumo de fertilizantes en las principales plantaciones de Brasil 19025 Prdidas de suelo y de agua de lluvia en algunos cultivos en Brasil 19126 Deforestacin anual en la regin amaznica brasilea 19527 Uso de la tierra en propiedades rurales de Brasil 19728 Evolucin del rea utilizada por los principales cultivos en Brasil 19829 Uso de la tierra en Brasil 19830 Evolucin de precios pagados al productor (sin tributos) de gasolina en los EE.UU. y de

bioetanol de caa de azcar en Brasil 20431 Estructura de los precios al consumidor de la gasolina comn, el bioetanol hidratado y eldisel en Rio de Janeiro en marzo de 2008 20532 Evolucin de los precios promedio pagados por el consumidor de bioetanol hidratado yde gasolina comn y anlisis de la relacin entre estos precios en Brasil 20633 Estructura de los costos de produccin de la caa de azcar en la regin centro sur en elao 2005 20834 Estructura de costos de operacin y mantenimiento de una destilera autnomadedicada a la produccin de bioetanol de caa de azcar en la regin centro sur en el ao2005 20935 Productividad promedio de los trabajadores de la agroindustria de caa en Brasil 211

36 Potencial bioenergtico por tipo de biomasa 22537 Distribucin de la produccin de etanol por regiones, ao 2007 23438 Fraccin de la demanda de bioetanol para agregar el 10% a la gasolina que se puedeproducir mediante la conversin de melaza disponible en la fabricacin de azcar 24139 Fracciones de las reas de cultivo (total y en caa) necesarias para producir el bioetanolrequerido para agregar un 10% a la gasolina, asumiendo la conversin de jugo directo 24240 Estimaciones de oferta y demanda de bioetanol combustible para los aos 2010 y2015 24841 ndices de precios para el petrleo y los productos agrcolas 26242 ndices de precios para el petrleo y los productos agrcolas asociados al bioetanol y albiodisel 263

43 ndices de precio para el petrleo bruto y los productos agrcolas asociados albioetanol 264



10/320

Tablas

1 Parmetros de desempeo vegetal para los ciclos fotosintticos 302 Propiedades de la gasolina y del bioetanol 413 Exigencias de modificaciones en vehculos para diferentes concentraciones de bioetanolen la gasolina 444 Efecto del bioetanol en el octanaje de la gasolina-base 455 Durabilidad de materiales plsticos en bioetanol 486 Panorama general de los biocombustibles 697 Principales parmetros agrcolas de la caa de azcar 768 Demanda de energa en el procesamiento de la caa 829 Prdidas y rendimientos promedios de las plantas de caa 8310 Demanda de fertilizantes y defensivos para la produccin de maz en los EE.UU. 8611 Rendimientos de los coproductos en la molienda hmeda 87

12 Balance de energa en la produccin de bioetanol de caa 9513 Emisiones en la produccin del bioetanol de caa 9514 Emisiones lquidas de la produccin y uso del bioetanol de caa 9615 Balance de energa y emisiones de GEE en el caso del bioetanol de maz en losEE.UU. 9916 Comparacin de las diferentes materias primas para la produccin de bioetanol 10017 Principales pases productores y exportadores de azcar en la cosecha 2006/2007 10518 Energa elctrica y bagazo excedente en sistemas de cogeneracin en la agroindustria dela caa 11319 Nuevos productos de la agroindustria de la caa de azcar 12020 Procesos para el pretratamiento de la biomasa para hidrlisis 127

21 Comparacin de las diferentes opciones para la hidrlisis de la celulosa 12822 Comparacin de las estimaciones de rendimientos y costos para la produccin debioetanol por medio de la hidrlisis 13123 Comparacin de las estimaciones de rendimiento y costos de los sistemas BIG/GT-CC 13724 Comparacin de los rendimientos y costos para la produccin de combustibles desntesis 13925 Procesos bsicos de la industria alcoholqumica 14126 Impacto de la introduccin de nuevas tecnologas en la produccin de bioetanol 17427 Expectativas de ganancias de eficiencia en procesos de produccin de bioetanol 17428 Balance resumido de las emisiones de CO2 en la agroindustria del bioetanol de caa de

azcar en el centro sur brasileo 18229 Efluentes de la agroindustria del bioetanol 18530 Uso de agroqumicos en las principales plantaciones de Brasil 18831 Potencial para la produccin de caa en Brasil 201



11/320

32 Demanda de reas para la produccin de bioetanol para abastecer el mercado global en2025 20233 Empleos directos formales del sector sucroalcoholero, segn actividad y regin 211

34 Impactos directos, indirectos e inducidos del procesamiento de un milln de toneladasde caa de azcar para la produccin de alcohol 21635 Potencial total tcnico de produccin de bioenerga para diversas regiones y escenariosproductivos en 2050 22636 Potencial de diversas materias primas y sistemas productivos para bioenerga 22837 Biocombustibles en la oferta total primaria de energa 23238 Participacin relativa de los biocombustibles en la oferta total primaria de energa 23339 Capacidad, produccin y consumo de bioetanol en la Unin Europea 23840 Principales objetivos para el desarrollo de la bioenerga 25041 Principales instrumentos de polticas energticas relacionadas con la promocin de labioenerga 252

42 Coeficientes de correlacin simple entre los precios del petrleo y los precios de losproductos directamente asociados a los biocombustibles, entre enero de 1990 y marzo de2008, por subperodos 265



12/320

H HH C C O H

H H

H

H

H

C

C

O

H

H

H

C2

H5

OH

C2

H5

OH

C2H5OH



13/320

H HH C C O H

H H

H

H

H

C

C

O

H

H

H

C2H5OH

C2

H5

OH

Prefac

io

Petrleo, gas natural y sus derivados representan

el 55% del consumo mundial de energa. Son esoscombustibles los que permiten la existencia de losmedios de transporte rpidos y eficientes que tenemoshoy, as como gran parte de las actividades industriales.Lamentablemente, ellos no van a durar ms que algunasdcadas: como combustibles fsiles, sus reservas sonfinitas, la seguridad de abastecimiento es problemtica paramuchos pases que los importan y su uso es la principalfuente de los gases que estn provocando cambiosclimticos y el calentamiento global.

Es preciso, entonces, encontrar sustitutos para esoscombustibles. Nada ms racional que producirlos en base amateria orgnica renovable (biomasa), a partir de la cual enun pasado distante, la naturaleza produjo los combustiblesfsiles que utilizamos en la actualidad. Una de las opcioneses el etanol, un excelente sustituto para la gasolina,

principal combustible usado en automviles en el mundo.

Hoy en Brasil, el etanol producido de caa de azcar yasustituye la mitad de la gasolina que sera usada si noexistiera y su costo es competitivo sin los subsidios queviabilizaron el programa inicialmente. Eso se logr en cerca

de 30 aos a partir de la creacin del Prolcool, programalanzado en el pas a mediados de la decada de los setenta

para reducir la dependencia de la importacin de petrleo.Consideraciones econmicas de la industria del azcartambin influenciaron en el establecimiento del programa,

pero preocupaciones de carcter ambiental y social notuvieron un papel significativo en ese momento.

En los Estados Unidos, gran productor mundial deetanol a base de maz, el programa es ms reciente y

sus justificaciones son la eliminacin de aditivos en lagasolina y la reduccin de las emisiones de gases que

provocan el calentamiento global. En los pases deEuropa Occidental tambin se usa etanol producidodel trigo y de la remolacha. En esos pases el costodel etanol es de dos a cuatro veces ms elevado que



14/320

14

en Brasil y subsidios internos y barreras aduaneras protegen las industrias locales,impidiendo la importacin del etanol de Brasil.

Esto viene creando resistencias de algunos grupos, que asocian el etanol (y el biodiesel,producido en cantidades menores) a un falso dilema, que es el de la produccin dealimentos versus combustibles. Ese argumento no se sustenta si observamos que la

produccin de etanol en el mundo, de cerca de 50 mil millones de litros por ao, utiliza 15millones de hectreas, o sea, el 1% del rea en uso por la agricultura en el mundo, que es de1,5 mil millones de hectreas.

Argumentan esos grupos tambin que, en realidad, el uso de etanol no reduce las emisionesde gases de efecto invernadero, lo que es totalmente incorrecto en lo que se refiere al etanolde la caa de azcar. ste es, de hecho, prcticamente renovable, pues el bagazo una vezque el bagazo de la caa suministra toda la energa necesaria para la fase industrial de la

produccin del etanol. La situacin de los Estados Unidos es menos cmoda, porque laproduccin del etanol exige el uso de energa que viene casi totalmente de combustibles

fsiles. Se puede decir que el etanol del maz es, en realidad, carbn convertido en etanol,mientras que en Brasil ste es casi enteramente de energa solar.

La expansin del cultivo de la caa de azcar y del maz involucra cambios en el uso delsuelo, lo que puede implicar la emisin de gases de efecto invernadero si la expansin resultaen deforestacin, lo que no es el caso de Brasil, donde la expansin est ocurriendo sobre

pasturas. De todos modos, se es un problema general de agricultura en expansin y noun problema de produccin de etanol (o biodiesel). Si hay un dilema, se lo podra titular

produccin de alimentos versus cambios climticos.

La que se puede denominar como solucin brasilea para los problemas de los combustiblesfsiles - el uso del etanol de caa de azcar para sustituir la gasolina no es exclusiva de nuestro

pas y se la est adoptando en otros pases productores de caa de azcar (de los cuales existencasi cien en el mundo), como Colombia, Venezuela, Mozambique e islas Mauricio.

Esas y otras cuestiones son analizadas en profundidad en este libro, el cual describe lascaractersticas biolgicas de la caa de azcar como planta, las tcnicas de produccin delalcohol y sus coproductos, como bioelectricidad, presentando el estado del arte de lo que

se llama tecnologas de primera generacin.

Hay adems una discusin sobre las tecnologas de segunda generacin para la produccinde etanol a base de celulosa de cualesquiera otros productos agrcolas (incluso de caade azcar), as como tecnologas de gasificacin de biomasa. Se discute, asimismo, la

sostenibilidad social y ambiental de produccin del etanol.

La lectura de este libro con seguridad disipar varios mitos creados alrededor del grande yprometedor programa de etanol en Brasil y su potencial expansin en el mundo.

Profesor Jos GoldembergUniversidad de So Paulo



16/320

H HH C C O H

H H

H

H

H

C

C

O

H

H

H

C2

H5

OH

C2

H5

OH

C2H5OH



17/320

H HH C C O H

H H

H

H

H

C

C

O

H

H

H

C2H5OH

C2

H5

OH

Pr

esentaci

n

El inters mundial por el desarrollo de los

biocombustibles se empez a incrementar haciamediados de la presente dcada, en el marco de una

preocupacin ms amplia para el desarrollo de fuentesnuevas y ms limpias de energa, que permitan avanzaren la superacin del paradigma energtico actual, basadoen los combustibles fsiles. En ese escenario destaca elBrasil, cuyo programa de bioetanol de caa de azcar

presenta resultados interesantes, desde la investigacinde variedades de caa de mayor rendimiento, hasta lafabricacin de motores que funcionan con cualquiermezcla de gasolina y etanol.

Compartir esa experiencia y las lecciones que de ella sederivan, especialmente con pases en desarrollo ubicadosen zonas tropicales y subtropicales, fue la principalmotivacin para que el Presidente Luiz Incio Lula daSilva le encomendara al Banco Nacional de DesarrolloEconmico y Social (BNDES) y al Centro de Gestin yEstudios Estratgicos (CGEE) la elaboracin de este libro.Un inters similar motiv la colaboracin de la ComisinEconmica para Amrica Latina y el Caribe (Cepal) y dela Oficina Regional de la Organizacin de las NacionesUnidas para la Agricultura y la Alimentacin (FAO) para

Amrica Latina y el Caribe.

La elevacin en el precio de los materias primas agrcolasy de los alimentos en los ltimos aos ha llevado apreguntarse si la demanda de productos agrcolas para lafabricacin de biocombustibles no ser uno de las causasimportantes del incremento en el precio de los alimentos.En ese sentido, sin embargo, es crucial distinguir entre losdiferentes sistemas de produccin de biocombustibles,considerando tanto aspectos ambientales y energticoscomo posibles trade-offs con la produccin de alimentos.

Es importante entender que los biocumbustibles sonbastante diferentes entre s en trminos de los impactos ybeneficios. Por ejemplo, el etanol de caa es muy diferentedel etanol de maz. Este libro tiene como premisa esadistincin, y argumenta que tanto en trminos energticos



18/320

18

como de efectos sobre la seguridad alimentaria, la produccin de biotenol de caa essuperior a las dems alternativas.

El libro consta de nueve captulos y procura cubrir en detalle esa amplia temtica. Laobra fue coordinada por el BNDES y el CGEE, quienes se encargaron de la produccinde los Captulos 1 a 7 y 9. La Cepal y la FAO supervisaron la produccin del Captulo 8 y

proveyeron retroalimentacin significativa a todos los dems captulos.

En el Captulo 1 se presentan los conceptos de bioenerga y biocombustibles y se revisasu evolucin e importancia en la actualidad. En el Captulo 2 presenta el etanol comocombustible vehicular, comentando sus propiedades y desempeo, as como sus aspectoseconmicos y requisitos de logstica para su utilizacin. En el Captulo 3 se describenlos diferentes procesos de produccin de bioetanol a partir de vegetales que contienenazcares y almidones; se detallan las rutas de produccin para caa de azcar y maz,

presentando los balances de energa y de emisiones de gases de efecto invernadero paracada caso. Los co-productos del bioetanol generados en el procesamiento de la caa deazcar, como el azcar y la bioelectricidad, se analizan en el Captulo 4, mientras que lastecnologas avanzadas para la produccin de biotenol de caa de azcar, como la hidrlisisde residuos y la gasificacin, se presentan en el Captulo 5. Hasta este captulo los temas sonabordados de forma tcnica, de una manera que se puede aplicar a otros contextos, conreferencias eventuales al caso brasileo. En el Captulo 6 se presenta la experiencia brasileaen produccin de bioetanol, implementada desde 1931 y reforzada en 1975, a travs delPrograma Prolcool; se revisan su evolucin, sus indicadores y sus perspectivas actuales.Por su evidente importancia, en el Captulo 7 se analiza la sostenibilidad de la produccinde bioetanol de caa de azcar, considerando sus aspectos ambientales, econmicos y

sociales, con referencia a la experiencia brasilea; adems, se incluyen comentarios sobrela certificacin de biocombustibles. En el Captulo 8 se presenta el potencial global para laproduccin de biocombustibles y se discuten polticas adoptadas para su fomento, evaluandolas perspectivas para la formacin de un mercado global para el biotenol y sus implicaciones

sobre la oferta de alimentos. Finalmente, en el Captulo 9 se presenta una sntesis de losprincipales elementos estudiados y se ofrecen algunas recomendaciones.

Por su contenido, se espera que el libro sirva de base para un debate sobre el potencial ylas limitaciones de la produccin de etanol de caa de azcar en condiciones adecuadas,especialmente en las regiones en donde sta se cultiva actualmente. En ese marco, sereconoce la importancia de polticas e incentivos que aseguren el desarrollo de un mercado

competitivo para el bioetanol de caa de azcar, pero sin comprometer la seguridadalimentaria ni los objetivos prioritarios acordados internacionales en materia de reduccin dela pobreza y hambre y del manejo sostenible de los recursos naturales.



19/320

19

En ese sentido, el libro destaca que muchos pases, especialmente aquellos localizados enregiones tropicales y subtropicales, como es el caso de buena parte de Amrica Latina yel Caribe, disponen de las condiciones adecuadas en cuanto a requerimientos de suelo,

agua, radiacin solar y disponibilidad de tierras para expandir la produccin de caa deazcar con fines energticos. Estudios recientes destacan que es posible explotar esasventajas en condiciones sostenibles, a travs de estrategias que promuevan un balancede los costos y beneficios implicados, considerando todas sus dimensiones (econmicas,

sociales, ambientales, estratgicas etc.), sujetas a un anlisis cuidadoso de sus impactos entrminos de cambios en el uso de la tierra, patrones de inversin, emisiones de gases deefecto invernadero, flujos de comercio y seguridad alimentaria, tal como ha sido destacadoen foros internacionales recientes. Ese proceso se podra beneficiar de la experiencia agrcola,industrial, tecnolgica y logstica acumulada por Brasil durante los ltimos treinta aos. Eseacervo de conocimiento representa, sin duda, un importante activo para otros pases de laregin, que se podra potenciar a partir de la cooperacin horizontal.

Para potenciar las ventajas de la produccin de biotenol de caa de azcar es importantelograr una mayor integracin y coherencia de las polticas en los niveles nacional einternacional y en las acciones de los sectores pblico y privado, evitando el desarrollo deinstrumentos de poltica distorsionantes y que limitan las legtimas ventajas comparativasque tienen muchos pases para la produccin de este biocombustible. Tal como se discuteen este libro, es particularmente relevante: (a) desarrollar metodologas comunes parael anlisis de ciclo de vida de las emisiones de GEI, reconociendo la importancia de lasemisiones directas e indirectas asociadas al cambio de uso de la tierra; (b) adoptar estndaresno distorsionantes, acordados internacionalmente, para enfrentar las posibles implicacionesambientales de la produccin de bioenerga; (c) establecer orientaciones para la estimacin

y reporte de emisiones de GEI en pases desarrollados y en desarrollo, el cumplimiento dereglas en el marco de la OMC y la prevencin de barreras comerciales; y (d) lograr un mayorvnculo entre las polticas alimentarias y energticas, de manera que no se comprometala seguridad alimentaria ni se despoje a los agricultores de las ganancias potenciales que

podran obtener de la produccin de biocombustibles.

La agenda del bioetanol se amplia cada da y algunos temas estn todava abiertos a ladiscusin, quedando fuera del alcance del libro, para ser trabajados en el futuro prximo.Uno de ellos es la globalizacin del bioetanol. Al igual que en el caso del petrleo, lacreacin de un mercado mundial de bioetanol implica el desarrollo de un cmulo demedidas complementarias para asegurar su produccin y abastecimiento, aspectos que

demandarn la creacin de alianzas y el desarrollo de mercados consumidores, conreglas claras en materia de mecanismos de formacin precios y de definicin deespecificaciones de referencia.



20/320

20

Otros temas relevantes son la proteccin intelectual de los desarrollos biotecnolgicosy de mejoramiento de las variedades de caa y las provisiones para mantener la ventajacompetitiva de los productores de bioetanol del mundo en desarrollo.

Hoy en da est claro que las polticas relacionadas con los biocombustibles deben guiarsepor los siguientes cuatro principios fundamentales:

a) Orientacin dirigida por el mercado, a efecto de reducir las distorsiones en los mercadosagrcolas y de biocombustibles y evitar la introduccin de restricciones nuevas;

b) Sostenibilidad ambiental, buscando el desarrollo de biocombustibles con efectos positivosnetos en trminos energticos y de emisiones de gases de efecto invernadero, procurando la

proteccin de los recursos agua y suelo y evitando los daos ambientales en general;

c) Promocin del desarrollo econmico, valorizando polticas de investigacin, desarrollo einnovacin que contribuyan a mejorar la eficiencia fsica y econmica de las materias primasy de los procesos de conversin de stas en biocombustibles; y

d) Proteccin de la poblacin de menores ingresos y de la seguridad alimentaria, dndolela debida atencin a los problemas creados por los dficit de alimentos y la dependencia deimportaciones de petrleo en los pases ms pobres y con mayores problemas de hambre.

Considerando esas orientaciones fundamentales, las instituciones involucradas en laproduccin de este libro entienden que los programas de produccin y uso de biotanol decaa de azcar, adecuadamente diseados y bien conducidos, pueden contribuir a reforzar

positivamente las relaciones entre los pases y a promover de manera efectiva el desarrollosostenible de sus sociedades.

Luciano CoutinhoPresidente, BNDES

Lcia MeloPresidente, CGEE

Alicia BrcenaSecretaria Ejecutiva, Cepal

Jos Graziano da SilvaRepresentante Regional de la FAO para

Amrica Latina y el Caribe



21/320

Luz do solque a folha traga e traduz

em verde novo,

em folha, em graa,em vida, em fora, em luz...Luz do sol, Caetano Veloso1

1 Luz del sol / que la hoja sorbe y convierte / en verde nuevo / en hoja, en gracia / en vida, en fuerza, en luz



23/320

Captulo

1 Bioenerga y biocombustibles

La conversin de energa solar en energa qumica, que

se realiza en los vegetales durante la fotosntesis, es uno

de los fenmenos ms fascinantes de la naturaleza. En

la planta iluminada por el sol, la fugaz radiacin solar se

transforma en productos estables, absolutamente esenciales

a la vida en nuestro planeta. Y, desde el principio de la

humanidad, fue la simbiosis con el mundo vegetal lo que

garantiz el suplemento de alimentos, energa y materias

primas de amplio uso, permitiendo, a lo largo de milenios,

que aumenten los niveles de bienestar y productividad

econmica. Tras la breve interrupcin en los ltimossiglos, durante los cuales la energa solar fosilizada pas

a ser ambiciosamente explotada y utilizada, en forma de

carbn, petrleo y gas natural, la energa fotosinttica

vuelve, lentamente, a ser la protagonista principal.

Capaz de mitigar preocupantes problemas ambientales,

la energa fotosinttica le brinda una nueva dinmica al

mundo agroindustrial y ofrece una alternativa efectiva a

la necesaria evolucin de la sociedad industrial moderna

hacia un contexto energtico ms sostenible y racional.

Sin pretender ser la solucin exclusiva, la captacin y el

almacenamiento de energa solar en los vegetales puedendesempear un rol destacado en el futuro energtico de las

naciones. De hecho, como ya deca Melvin Calvin Premio

Nbel de Qumica en 1961 por sus descubrimientos

sobre la fotosntesis-, las hojas son verdadera fbricas

silenciosas.

Este captulo inicial est dedicado a los conceptos bsicos

y a la evolucin de la bioenerga, particularmente a los

biocombustibles, con una perspectiva de largo plazo.

Posteriormente, se abordarn ms detalladamente la

expansin y las perspectivas actuales del mercado brasileode bioetanol y del mercado mundial de biocombustibles.



25/320

25

1.1 Fundamentos de la bioenerga

En su acepcin ms rigurosa, la energa es la capacidad de realizar cambios, presentada bajodiferentes formas, como la energa trmica, la energa elctrica y la energa qumica, perosiempre representando un potencial para causar transformaciones, ya sean naturales o deter-minadas por el ser humano. La energa qumica es la forma de energa que se genera a travsde reacciones qumicas en las que tienen lugar cambios de composicin, transformndose losreactivos en productos, generalmente con liberacin de calor. Por ejemplo, la energa qumi-ca est disponible en los alimentos y en los combustibles, y se usa en los procesos vitales delos animales y de las personas, as como para mover vehculos, entre otros fines.

Un caso particular de energa qumica es la bioenerga, que se puede definir como cualquierforma de energa asociada a formas de energa qumica acumulada mediante procesos fo-tosintticos recientes. En general, se denomina biomasa a los recursos naturales que poseen

bioenerga y que se pueden procesar para obtener formas bioenergticas ms elaboradas yadecuadas para el uso final. Por lo tanto, seran ejemplos de fuentes de bioenerga la leay los residuos de aserraderos, el carbn vegetal, el biogs resultante de la descomposicinanaerbica de los residuos orgnicos y otros residuos agropecuarios, as como los biocombus-tibles lquidos, como el bioetanol y el biodisel, y la bioelectricidad, generada por la quemade combustibles como el bagazo de caa y la lea.

En el amplio contexto de la bioenerga, la produccin de biocombustibles lquidos sirve paraatender particularmente las necesidades de transporte automotor. Para estos fines, adems delos biocombustibles, an no existen, en la actualidad, otras alternativas renovables con madu-rez tecnolgica y viabilidad econmica suficientes. Los biocombustibles lquidos se pueden

utilizar de manera bastante eficiente en motores de combustin interna que equipan los msdiversos vehculos automotores y que se clasifican bsicamente en dos tipos, dependiendode la manera como inicia la combustin. Motores del ciclo Otto, con ignicin a chispa, paralos cuales el biocombustible ms recomendado es el bioetanol; y motores del ciclo Diesel, enlos cuales la ignicin se logra por compresin y que pueden utilizar con buen desempeo elbiodisel. En ambas situaciones, los biocombustibles pueden ser usados puros o mezcladoscon combustibles convencionales derivados de petrleo. Es interesante observar que, en losprimeros aos de la industria automotriz, durante la segunda mitad del siglo XIX, los bio-combustibles representaban la principal fuente de energa para los motores de combustininterna, con el uso del bioetanol por Henry Ford y del aceite de man, por Rudolf Diesel.Estos dos productos se reemplazaron, respectivamente, por la gasolina y el disel a medidaque los combustibles derivados de petrleo pasaron a ser abundantes y baratos, a partir del

comienzo del siglo pasado. Los aspectos tcnicos asociados al uso de etanol en motores secomentarn en el prximo captulo.



26/320

26

Automvil Ford Modelo A (1896) para etanol puro.

Figura 1 El proceso de fotosntesis

Agua

Energa solar

O2 CO2

Fuente: Elaboracin de Luiz Augusto Horta Nogueira.



27/320

27

La produccin de biomasa, como resultado de la reaccin de fotosntesis, depende esencial-mente de la energa solar y de la presencia de agua y dixido de carbono (CO2), y tiene lugaren las clulas vegetales de los estomas de las hojas, segn complejos ciclos que pueden ser

representados por la siguiente expresin, en la cual agua y dixido de carbono se combinanpara formar una molcula de glucosa (un azcar simple) y oxgeno.

6 H2O+6 CO

2luz solar C

6H

12O

6+6 O

2 (1)

En esta reaccin, en trminos energticos, la formacin de 1 Kg de azcar corresponde a lafijacin de cerca de 17,6 MJ (mega joules) de energa solar, equivalente a cerca de mediolitro de gasolina. Por balance de masa de esta reaccin, se sabe que la sntesis de 1 Kg deglucosa consume cerca de 0,6 Kg de agua y 1,4 Kg de dixido de carbono, liberando a laatmsfera 1 Kg de oxgeno. Naturalmente, esta agua representa slo la parte utilizada en lacomposicin del azcar, pues durante su crecimiento y, en particular, durante la fotosntesis,se produce evapotranspiracin y el vegetal necesita agua en volmenes centenas de veces

mayor que la cantidad fijada en el producto vegetal. As, la condicin fundamental paraproducir biomasa y, por ende, de bioenerga es la disponibilidad de radiacin solar, agua ydixido de carbono.

Entre estos factores de produccin bsicos para la produccin vegetal, el dixido de carbonoes el menos problemtico, pues est bien distribuido en la atmsfera, en concentraciones su-ficientes para las plantas. Sin embargo, es relevante observar que su concentracin muestra,en las ltimas dcadas, un preocupante crecimiento principalmente asociado al uso intensivode combustibles fsiles, capaz de incrementar el efecto invernadero en la atmsfera terrestrey el consecuente calentamiento global. En este sentido, los biocombustibles presentan dosimportantes ventajas: su uso permite reducir la emisin de carbono a la atmsfera y, adems,

la produccin de biomasa es potencialmente favorecida, dentro de ciertos lmites y para al-gunas especies, por la creciente disponibilidad de dixido de carbono en la atmsfera.

Con relacin a la radiacin solar, interesa conocer cul es la fraccin utilizada por las plan-tas y cmo est disponible en el planeta. La fotosntesis se realiza con absorcin de luz porla clorofila en bandas especficas del espectro solar, especialmente para las longitudes deonda entre 400 y 700 nm, regin del color rojo. En fisiologa vegetal, esta banda se conocecomo radiacin fotosintticamente activa (PAR, del inglsphotosynthetically active radiation)y corresponde, aproximadamente, al 50% del total de la radiacin solar. Con relacin a ladisponibilidad de radiacin solar, el factor primordial es la latitud, donde las regiones tropica-les reciben ms energa solar en comparacin con las ubicadas en latitudes mayores. Segn

el Atlas Solarimtrico Brasileo, un rea de un metro cuadrado, ubicada entre 10 y 15 delatitud sur, en la regin norte de Brasil, recibe, ms o menos, 18,0 MJ/da, mientras que, parauna latitud entre 20 y 25, en la regin sur, la misma rea recibe 16,6 MJ/da, cerca del 8%menos de energa [Cresesb (2000)]. Tambin asociada a la latitud, la temperatura ambientees otro factor que influye directamente en la fotosntesis. Dentro de ciertos lmites, mayores



28/320

28

temperaturas favorecen la produccin bioenergtica, reforzando la ventaja de las regionesms calurosas del planeta en este sentido.

El agua, el ltimo de los factores esenciales para la fotosntesis, constituye, de hecho, el granlimitante a considerarse para la produccin vegetal. La reducida disponibilidad de recursoshdricos con adecuada calidad y su heterognea distribucin sobre los continentes configuranuno de los grandes retos para el desarrollo de muchas naciones. Extensas reas soleadas en lasregiones semiridas pueden colaborar poco como fuente de biomasa sin ser irrigadas con vo-lmenes significativos de agua, implicando costos siempre muy elevados y, con frecuencia, dis-pendios energticos que dificultan la produccin bioenergtica. A escala mundial, la irrigacinconsume actualmente ms del 70% de los recursos hdricos utilizados y responde por cerca del40% de la produccin agrcola, transformando el acceso al agua en un tema de enorme prio-ridad [Horta Nogueira 2008)]. Adems, los posibles cambios climticos derivados del aumentodel efecto invernadero en nuestro planeta tienden a modificar de manera preocupante los

regmenes pluviales e hdricos, ampliando los riesgos de fenmenos crticos, como sequas einundaciones, que, evidentemente, afectan la produccin vegetal de modo negativo.

Segn lo representado en la Figura 2, algunas regiones tropicales, en particular en Sudam-rica y frica, presentan significativa disponibilidad pluvial. Aunada a una mayor incidenciade energa solar y a temperaturas adecuadas, sta es una ventaja relevante que configura, endichas regiones, las condiciones ms favorables para producir bioenerga, cuyo fomento deberealizarse en armona con los bosques naturales y la agricultura ah existentes.

Figura 2 Pluviosidad media anual

Fuente: FAO (1997).



29/320

29

Adems de los factores bsicos (luz, agua y dixido de carbono), otros requisitos importantespara la produccin bioenergtica son la fertilidad del suelo y la topografa. Los principalesnutrientes minerales para el crecimiento vegetal son nitrgeno, fsforo y potasio, pero tam-

bin es decisiva la disponibilidad, en menores concentraciones, de otros minerales, comoboro, manganesio y azufre, as como la presencia de materia orgnica. Adicionalmente, unsuelo frtil se caracteriza por la adecuada estructura y porosidad. De modo general, los cul-tivos bioenergticos precisan de fertilizantes qumicos para lograr niveles satisfactorios deproductividad, cuyo mantenimiento depende adems del manejo adecuado de los suelos,especialmente la mecanizacin en las operaciones agrcolas. Con relacin a la topografa,la inclinacin de las reas de cultivo no debe ser muy grande, para reducir la incidencia deprocesos erosivos, principalmente en los cultivos de ciclo anual, as como para facilitar lasoperaciones de cultivo y cosecha.

La consideracin conjunta de todos estos factores delimita el rea potencialmente cultivablepara bioenerga y todos los dems usos. Considerando todo el planeta, esa rea est estimada

en 13,2 mil millones de hectreas, de las cuales son actualmente utilizadas para producir ali-mentos para humanos y animales cerca de 1,5 mil millones de hectreas, correspondientes al11% del total [Hoogwijk et al. (2003)]. Adelantando un tema que ser analizado con ms de-talles en el Captulo 8, el Grfico 1 muestra cmo se distribuyen los usos de la superficie culti-vable entre todos los continentes, sealando la existencia de reas disponibles para expandirlas fronteras agrcolas y la eventual produccin de bioenerga, en especial en los sitios anpoco explotados o utilizados en forma extensiva, como en pastos de baja productividad.

Grfico 1 Usos de la superficie cultivable en la Tierra

Fuente: Elaboracin en base a Hoogwijk et al. (2003).

Como uno de los parmetros elementales en sistemas bioenergticos, es relevante conocerla eficiencia de los cultivos en los procesos de captacin y almacenamiento de energa solar.Al determinar cmo y cunto de la energa solar se transforma realmente en bioenerga yal comprender cmo ocurren las transformaciones y prdidas de energa, es posible, even-tualmente, obtener las condiciones ms favorables para el desempeo de las plantas como



30/320

30

colectoras de energa. No obstante, recin en las ltimas dcadas se estn elucidando losmecanismos bioqumicos que permiten que el vegetal sintetice azcares y otros productosqumicos, as como las vas de fijacin del carbono identificando sus diferentes etapas, que se

desarrollan segn una secuencia compleja de reacciones sucesivas, con diversas bifurcacionesy compuestos inestables hasta formar sustancias estables, denominadas ciclos fotosintticos.Tal conocimiento devela una nueva e importante frontera de posibilidades para comprenderel comportamiento de las plantas y, eventualmente, incrementar la productividad de las es-pecies de potencial bioenergtico.

Los ciclos fotosintticos de mayor inters son el ciclo de Calvin, o ciclo C3, y el ciclo Hatch-Lack, o ciclo C4, en que la molcula del primer producto estable producido presenta, res-pectivamente, tres carbonos (cido fosfoglicrico) o cuatro carbonos (productos como oxala-cetato, malato y aspartato) [Hall y Rao (1999)]. Mientras la mayora de las plantas conocidasutiliza el ciclo C3, en algunas gramneas tropicales, como caa de azcar, cebada y sorgo,se identific el ciclo C4. Tal distincin es relevante para desarrollar sistemas bioenergticos,

en funcin de la gran diferencia de productividad entre tales ciclos a favor del ciclo C4, quepresenta una elevada tasa fotosinttica de saturacin (absorbe ms energa solar), ausenciade prdidas por fotorrespiracin, alta eficiencia en la utilizacin del agua, mayor toleranciasalina y bajo punto de compensacin para el CO2, es decir, responde mejor bajo menoresconcentraciones de este gas. En resumen, se puede afirmar que los vegetales con ciclo C4son los ms aptos para la produccin bioenergtica. La Tabla 1 presenta una comparacin dealgunos parmetros de inters para estos dos ciclos fotosintticos [Janssens et al. (2007)].

Tabla 1 Parmetros de desempeo vegetal para los ciclos fotosintticos

Caracterstica Especies C3 Especies C4

Razn de transpiracin

(kg de agua evaporada por kgsintetizado)

350 1000 150 300

Temperatura ptima para fotosntesis(C)

15 a 25 25 a 35

Lugar de la fotosntesis Toda la hoja Parte externa de lahoja

Respuesta a la luz Saturada para radiacionesmedias

No saturada bajoradiaciones elevadas

Productividad anual media (t/ha) ~ 40 60 a 80

Aptitud climtica Templado a tropical Tropical

Ejemplos Arroz, trigo, soya, todas las

fructferas, oleaginosas y lamayora de los vegetalesconocidos

Maz, caa de

azcar, sorgo y otrasgramneas tropicales

Fuente: Janssens et al. (2007).



31/320

31

De la radiacin solar incidente sobre la Tierra, de 178 mil TW (terawatt o mil millones dekilowatts), se estima que cerca de 180 TW, o el 0,1%, son utilizados en los procesos fotosint-ticos, naturales o promovidos por los seres humanos. De este modo, en todo el planeta, son

producidos anualmente cerca de 114 mil millones de toneladas de biomasa, en base seca,correspondiendo a, aproximadamente, 1,97 mil millones de TJ (terajoule o mil millones dekilojoules), a su vez equivalentes a 314 mil millones de barriles de petrleo o cerca de diez milveces el actual consumo mundial de ese combustible fsil. En ese contexto, el promedio de laeficiencia de asimilacin de la energa solar es inferior al 1%, aunque vegetales de mayor des-empeo, como la caa de azcar, puedan alcanzar un 2,5% en promedio anual [Smil (1991)].Naturalmente, estos valores sirven slo como referencia para entender la magnitud energticade la fotosntesis. No tiene sentido imaginar la bioenerga como sustituta de todas las formasfsiles de suplemento energtico, principalmente en los pases de elevada demanda. Este creci-miento vegetal sucede, como se coment, sobre todo en especies nativas de las regiones tropi-cales, estimndose que las actividades agrcolas corresponden a cerca del 6% de este total.

Es interesante observar que, dependiendo del vegetal, la energa solar se fija en diferentessustancias y rganos de acumulacin, que determinan las vas tecnolgicas posibles de adop-tar para convertirlo en biocombustibles para uso final. En la caa de azcar, por ejemplo, lasreservas energticas se ubican principalmente en los tallos, como sacarosa, celulosa y lignina,siendo tradicionalmente empleadas en la produccin de bioetanol y bagazo, pero tambinlas puntas y hojas de la caa presentan creciente inters, a medida que se desarrollan proce-sos para la utilizacin de su substrato lignocelulsico. A su vez, en los rboles y otras especiesleosas, el contenido energtico est esencialmente en el fuste (tronco ms ramas), en formade celulosa y lignina, siendo empleado bsicamente como lea. Las races y tubrculos deplantas como la mandioca y la remolacha acumulan almidn y sacarosa, mientras que los fru-tos y las semillas, como la palma y el maz, acumulan generalmente almidn, azcar y aceitesvegetales, segn cada especie.

Adems de definir las vas tecnolgicas ms adecuadas para convertir la biomasa en biocom-bustibles, estos aspectos son relevantes para la eficiencia global de captacin y utilizacin deenerga solar: para la sntesis de carbohidratos (como celulosa y sacarosa), el vegetal requie-re cerca del 60% menos de energa que para la sntesis de grasas o lpidos [Demeyer et al.(1985)], por unidad de masa de producto final, lo que, en principio, hace las vas asociadas albiodisel comparativamente menos eficientes que las vas del bioetanol, en base a la sacarosao a la celulosa.

La Figura 3 presenta una sntesis de las diversas vas de conversin que se pueden aplicarpara transformar la biomasa en biocombustibles y calor til. Adems de los procesos fsicos,puramente mecnicos, para concentracin, reduccin granulomtrica, compactacin o re-

duccin de la humedad de la biomasa, son utilizados dos grupos de tecnologas qumicas,que modifican la composicin de la materia prima para suministrar productos ms compa-tibles con los usos finales:procesos termoqumicos, que emplean materias primas con bajahumedad y temperaturas elevadas; yprocesos bioqumicos, desarrollados en ambientes conelevada concentracin de agua y temperaturas cercanas a la ambiente.



32/320

32

Figura 3 Vas tecnolgicas para produccin de bioenerga

Combustin

Vapor Gas Gas Petrleo Carbn Biogas

Turbinaa vapor

Cicloscombinados,

motores

Sntesis Refinacin Motor a gas Destilacin Esterificacin

Clula acombustible Diesel Etanol Biodisell

Gasificacin Digestin FermentacinPirlisis

LicuefaccinHTU

Extraccin(oleaginosas)

Conversin termoqumica

CALOR ELETRICIDAD COMBUSTIBLE

Conversin bioqumica

Fuente: Elaborado en base a Turkenburg et al. (2000), apud Seabra (2008).

1.2 Evolucin de la bioenerga y de los biocombustibles

La bioenerga, en sus diferentes formas, fue la principal y, en algunas situaciones, la nicaforma de suplemento energtico exgeno utilizada por la humanidad a lo largo de su historia.Desde las primitivas hogueras, hace ms de 500 mil aos, la biomasa leosa fue la fuenteenergtica por excelencia y atenda las necesidades domsticas de energa para coccin ycalentamiento, adems de proporcionar primitivos sistemas de iluminacin que empleabangrasas vegetales y animales en quinqus y velas. Posteriormente y durante milenios, la pro-duccin cermica y metalrgica pas a representar una demanda importante de bioenerga,consumida en hornos y forjas. Slo a partir del siglo XVIII, se produjo el agotamiento de lasreservas de lea disponibles en gran parte de Europa Occidental y, principalmente, en Ingla-terra, factor determinante para comenzar la explotacin del carbn mineral y que, junto a lamquina a vapor, fue uno de los hechos desencadenantes de la Revolucin Industrial. Si no

hubiera sido introducida la energa fsil en forma de carbn mineral, disponible en cantidadabundante y con acceso relativamente fcil en esa poca, la historia moderna seguramentehubiera seguido otro rumbo.



33/320

33

Del Brasil colonial, tenemos un registro interesante de un proceso agroindustrial econmica-mente relevante, proporcionado por la energa de la biomasa. Segn relata Antonil (1982),los ingenios de azcar del Recncavo Baiano (rea alrededor de la Baha de Todos los Santos),

durante el siglo XVII, poseanas fornalhas, que por sete meses ardem dia e noite, querem muita lenha... (pois)o alimento do fogo a lenha, e s o Brasil, com a imensidade dos matos que tem,podia fartar, como fartou por tantos anos, e fartar nos tempos vindouros, a tantasfornalhas, quantas so as que se contam nos engenhos da Bahia, Pernambuco eRio de Janeiro...1

Es curioso imaginar lo que dichos ingenios hacan entonces con el bagazo de las caas pro-cesadas si lo empleaban para alimentar los bueyes de carroza o lo destinaban a otros fines, pues este subproducto podra constituir una fuente de energa bsica para el procesoproductivo. Como sucede en las usinas de azcar y bioetanol de hoy da, que no usan lea

y aun as producen excedentes considerables de energa exportable en la forma de bagazo yelectricidad.

Como en otros pases en desarrollo ubicados en regiones tropicales, la amplitud de los recursosbioenergticos en Brasil ayuda a entender por qu, slo despus de 1915, los combustiblesfsiles pasaron a ser utilizados con alguna relevancia en el pas, donde la lea permanecims importante que el petrleo en el suplemento energtico hasta 1964 [Dias Leite (2007)].Sin duda, en muchos ferrocarriles brasileos, que eran casi la nica forma de transporte decarga de medianas distancias, as como en las embarcaciones de la Amazonia y en las jaulas(embarcacin fluvial a vapor) del Ro So Francisco, e incluso para generar energa elctricaen sistemas aislados utilizando locomotores (conjuntos de mquinas a vapor simples y calde-ras de pequea envergadura), la lea era el nico combustible empleado hasta mediados del

siglo XX. El Grfico 2 muestra cmo evolucion la oferta interna de energa en Brasil en lasltimas dcadas y cul fue la contribucin de la bioenerga, separndose las partes debidas ala caa y a la lea. En 2007, estas fuentes de bioenerga correspondieron, respectivamente,al 16,0% y 12,5% del consumo total de energa en el pas [MME (2008)].

Los datos referentes a la bioenerga y, particularmente, a la parte de la lea en las estadsticasenergticas estn, para la mayora de los sectores, determinados en forma indirecta, en basea indicadores como la produccin de la industria de papel y pulpa y el nmero de cocinas alea. Recientemente, la Empresa de Investigacin Energtica (EPE) ha revisado esta metodo-loga, buscando mejorar la consistencia de estas informaciones en el caso brasileo. De todosmodos, investigaciones del Instituto Brasileo de Geografa y Estadstica (IBGE) demuestranque la lea sigue siendo un combustible importante a nivel domstico. En ms de 50 millo-

nes de viviendas brasileas, cerca de un 3,5% cocinan slo con biomasa y ms del 14% usan

1 N. del T. : los hornos, que por siete meses queman da y noche, quieren mucha lea... (pues) el alimento del fuego es la lea,y slo Brasil, con la inmensidad de matorrales que tiene, podra satisfacer, como satisfizo por tantos aos, y satisfar en tiemposvenideros, a tantos hornos, como son los que se encuentran en los ingenios de Baha, Pernambuco y Ro de Janeiro...



34/320

34

simultneamente lea y gas licuado de petrleo [IBGE (2005)]. En la agroindustria (lcteos,carnes, dulces), en general, y en la industria cermica, especialmente las pequeas y media-nas, la lea es el principal energtico, cada vez ms producida en base a la silvicultura, en una

cadena energtica que ampla la generacin de valor en el medio rural.

Grfico 2 Participacin de la bioenerga en la oferta interna de energa en Brasil

Fuente: MME (2007).

Se estima que las plantaciones forestales para fines econmicos en Brasil cubren 4,1 millonesde hectreas, de las cuales cerca de la mitad est destinada a fines energticos, principalmen-te para producir carbn vegetal [FAO (2006)]. Esta superficie reforestada se est expandiendo,

anualmente, cerca de 250 mil hectreas y presenta productividades energticas interesantes,asociadas a un significativo desarrollo de las tecnologas en silvicultura. Aunque una parteimportante de la produccin de carbn vegetal, efectuada principalmente en la Amazoniaoccidental, y una parte de la demanda industrial en el interior del noreste todava se basan enla tala y en la explotacin predatoria de formas nativas, de manera general, el uso de lea enBrasil presenta buenos indicadores de sostenibilidad en sus varias vertientes [FAO (2007a)].

En trminos globales y actualizando los datos de la Agencia Internacional de Energa (AIE), lademanda de energa comercial (es decir, que pas por los mercados energticos), en 2007,fue de 470 millones de GJ, correspondiendo a cerca de 82 mil millones de barriles de petr-leo en un ao [Best et al. (2008)]. De este consumo total, aproximadamente un 88% se obtu-

vo de recursos fsiles, especialmente carbn mineral y petrleo. El resto se obtuvo mediantebioenerga, energa hidroelctrica, energa nuclear y, en menor grado, otras fuentes, comoenerga geotrmica y energa elica, destacndose la bioenerga como la ms importante en-tre las energas renovables. La bioenerga, cuyo aporte anual (comercial y no comercial) estestimado en 45 millones de GJ [Best et al. (2008)], se puede encontrar en las cocinas a lea



35/320

35

de gran parte de las viviendas de todo el mundo, en las calderas de muchas agroindustriasy en los tanques de combustibles de un nmero creciente de vehculos, sobre todo en lospases industrializados.

De este modo, los sistemas bioenergticos presentan una marcada dicotoma entre dos gran-des y diferenciados paradigmas. En el primer caso, se encuentran los sistemas tradicionales,practicados hace miles de aos, en los cuales la explotacin de los recursos de biomasa serealiza bajo un esquema extractivista, sin adecuada valoracin econmica de los productosy, en general, por medio de sistemas de baja eficiencia y menor productividad, atendiendoa necesidades residenciales y de industrias tradicionales. Como ejemplos de este paradigmaest la utilizacin de lea para la coccin domstica en el medio rural, prctica comn sinimpactos notables, y la produccin de carbn vegetal asociada a la tala de rboles, daina ydestinada a desaparecer. Como segundo paradigma, se encuentran los sistemas innovadoresy modernos de bioenerga, en que la produccin se produce generalmente de manera co-mercial, por medio de tecnologas eficientes, incluso desde el punto de vista ambiental, bus-

cando atender las necesidades de energa de la moderna industria, del sector de transportey la generacin de electricidad. Para este caso, se pueden citar como ejemplos las cadenasbioenergticas del bioetanol de caa de azcar, del biodisel de palma o de sebo, de la bio-electricidad producida con bagazo, licor negro o lixiviado celulsico, entre otras.

Grfico 3 Contribucin de la bioenerga en funcin de la rentaper capita

Fuente: FAO (1998).



36/320

36

Esta doble realidad se evidencia en el Grfico 3, en el que se relaciona el consumo bioe-nergtico (esencialmente en base a recursos leosos)per capita con la rentaper capita paradiversos pases. Si se toman solamente los puntos claros, correspondientes a los pases en

desarrollo, donde predominan las formas tradicionales de bioenerga, se puede afirmar queel crecimiento de la renta conduce a una reduccin de la demanda bioenergtica o, dicho deotra manera, que el uso de la bioenerga es una caracterstica de las naciones pobres. Sin em-bargo, tal hiptesis no se confirma al incluir el anlisis los pases industrializados, correspon-dientes a los puntos oscuros, donde, incluso para rentas elevadas, la demanda de bioenergapuede ser relevante, alcanzando niveles superiores a los dems pases.

Como ejemplos notables de pases de elevado consumo energtico y ubicados en regionesfras, de baja insolacin y, por lo tanto, de baja productividad fotosinttica, pero que logranproducir de forma sostenible volmenes importantes de bioenerga, Suecia y Finlandia ob-tienen de la fotosntesis, respectivamente, 19% y 20% de su demanda energtica total [Hally Scrase (2005)]. Como otro ejemplo notable, estudios de los Departamentos de Energa y

Agricultura de los Estados Unidos indican para 2030 una produccin anual de biomasa parafines energticos e industriales del orden del mil millnes de toneladas (base seca), capazde reducir en un 30% la demanda prevista de petrleo [DOE/USDA (2005)]. En estos casos,como en la moderna produccin de biocombustibles, la bioenerga se concibe bajo moder-nas tecnologas de produccin y conversin, atendiendo a premisas de sostenibilidad y sien-do reconocida como una forma renovable de suplemento energtico [FAO (2001)].

A escala mundial, por tanto, la evolucin futura de la bioenerga presenta una tendencia dereduccin de la contribucin de las bioenergas tradicionales, a ser mantenidas circunscritasa las situaciones de menor impacto, mientras que las bioenergas modernas se expanden,ocupando el espacio de las fuentes energticas fsiles. De esta forma, la bioenerga, progre-sivamente, deja de ser considerada una energa antigua y pasa a ser reconocida como unaforma energtica moderna, competitiva y adecuada, en condiciones de proporcionar unanueva revolucin tecnolgica. Como profetiza Sachs (2007):

La bioenerga es slo una parte de un concepto ms amplio de lo que se llamadesarrollo sostenible, un concepto que se basa en el trpode de biodiversidad,la biomasa y la biotecnologa y que puede servir de palanca para el lugar que labiomasa podr representar en las prximas dcadas.



39/320

Captulo

2 Etanol como combustible vehicular

Cualquiera sea su origen biomasa o procesospetroqumicos y carboqumicos , el etanol es uncombustible, es decir, libera significativas cantidades decalor al quemarse. Sin embargo, el etanol presenta algunasdiferencias importantes con relacin a los combustiblesconvencionales derivados de petrleo. La principal es elelevado tenor de oxgeno, que constituye cerca del 35% enmasa del etanol. Las caractersticas del etanol posibilitan lacombustin ms limpia y mejor desempeo de los motores,lo que contribuye a reducir las emisiones contaminantes,aun al mezclarlo con la gasolina. En estos casos, actacomo un verdadero aditivo para el combustible normal,

mejorando sus propiedades. No obstante la largaexperiencia con el etanol como combustible en algunos

pases, en particular Brasil, es notable como, en diversospases donde el etanol todava no se utiliza regularmente,subsisten prejuicios y desinformaciones sobre las realescondiciones de uso y las ventajas que se deben asociar aeste combustible y aditivo.

El presente captulo busca presentar aspectos tcnicos,econmicos y ambientales importantes para el etanolcomo combustible en motores de combustin interna, ya

sea en mezclas con gasolina (etanol anhidro, es decir, sin

agua) o puro (etanol hidratado). Se comentan, aqu, lasprincipales caractersticas fsicas y qumicas que definen suespecificacin y se revisan su adecuacin y compatibilidadcon los elastmeros y metales de mayor uso en motores,destacando la visin de la industria automovilsticacon respecto al uso. Tambin se analizan las emisionesatmosfricas asociadas al uso del etanol comparado con la

gasolina y se ofrecen algunos comentarios sobre el marcolegal para el empleo de etanol para fines vehiculares, ascomo sobre algunos aspectos econmicos, tales como laformacin de precios en el mercado de combustibles conetanol y los mecanismos tributarios asociados. Adems,

se destacan aspectos de la logstica del mercado decombustible, considerando la eventual adopcindel etanol, aspecto que resulta interesante para loscontextos en que se pretende introducir el uso del etanolcomo combustible.



41/320

41

2.1 Dimensiones tcnicas y ambientales del uso del etanol

El etanol, o alcohol etlico, es una sustancia con frmula molecular C2H6O, que puede serutilizada como combustible en motores de combustin interna con ignicin a chispa (cicloOtto) de dos maneras, bsicamente: 1) en mezclas de gasolina y etanol anhidro; o 2) comoetanol puro, generalmente hidratado. La Tabla 2 sintetiza las principales caractersticas del etanoly de una gasolina tpica. Vale observar que estas propiedades no se refieren a una especi-ficacin formal, que incluye diversas propiedades y parmetros asociados a la seguridad, aldesempeo, a la contaminacin y a la agresividad qumica. En el caso brasileo, las especi-ficaciones, que deben ser atendidas por los productores y respetadas por toda la cadena decomercializacin, son definidas por la Resolucin ANP 309/2001, para la gasolina con etanolanhidro, y por la Resolucin ANP 36/2005, para el etanol anhidro e hidratado, denomina-dos, respectivamente, alcohol etlico anhidro combustible (AEAC) y alcohol etlico hidratadocombustible (AEHC), en la legislacin brasilea. Segn esta legislacin, considerando con-centraciones en masa, el etanol anhidro debe contener menos del 0,6% de agua, mientrasque para el etanol hidratado esta concentracin debe estar entre el 6,2% y 7,4%. Expresadoscomo proporcin en volumen a 20 C, estos valores corresponden, respectivamente, a unaconcentracin mxima del 0,48% para el etanol anhidro y una franja del 4,02% a 4,87% parael etanol hidratado.

Tabla 2 Propiedades de la gasolina y del bioetanol

Parmetro Unidad Gasolina Etanol

Poder calorfico inferiorkJ/kg 43.500 28.225

kJ/litro 32.180 22.350Densidade kg/litro 0,72 0,78 0,792

Octanaje RON (Research Octane Number) 90 100 102 130

Octanaje MON (Motor Octane Number) 80 92 89 96

Calor latente de vaporizacin kJ/kg 330 400 842 930

Relacin aire/combustible estequiomtrica 14,5 9,0

Presin de vapor kPa 40 65 15 17

Temperatura de ignicin C 220 420

Solubilidad en agua % en volumen ~ 0 100

Fuente: API (1998) y Goldemberg y Macedo (1994).



42/320

42

En Brasil, desde hace varias dcadas, los nicos combustibles que se expenden en todas lasgasolineras para motores de ignicin a chispa son:

gasolinas regular y premium, con octanaje mediano (entre los mtodos RON yMON) mnima de 87 y 91, respectivamente, ambas siempre con concentracin deetanol anhidro establecida entre 20% y 25%, de acuerdo a la decisin del gobiernofederal, utilizadas en los vehculos nacionales e importados con motores a gasolina,inclusive los modelos de lujo.

etanol hidratado, con un octanaje mediano superior a 110, usado en vehculosadaptados para tal uso, que pueden usar motores propios para este combustible omotoresflex-fuel, capaces de usar cualquier mezcla de etanol hidratado y gasolina(con 20 a 25% de etanol).

El etanol hidratado puro debe ser usado en motores fabricados o adaptados especficamente

para este fin, en particular adoptando ndices de compresin ms elevados, buscando utilizaradecuadamente el octanaje ms alto del etanol frente a la gasolina y obtener ganancias deeficiencia del 10%. En otras palabras, el mayor octanaje del etanol permite que los motoresobtengan ms energa til del calor del combustible comparativamente a la gasolina. Otroscambios deben ser efectuados en el sistema de alimentacin de combustible y en la ignicin,para compensar las diferencias en la relacin aire-combustible y otras propiedades. Adems,debe haber algunos cambios de materiales en contacto con el combustible, como tratamien-to anticorrosivo de las superficies metlicas de los tanques, filtros y bombas de combustible ysustitucin de tuberas o adopcin de materiales ms compatibles con el etanol. Actualmen-te, tras dcadas de perfeccionamiento de motores especialmente fabricados para etanol, latecnologa automotriz ha evolucionado lo suficiente como para permitir que los vehculos aetanol puro hidratado tengan desempeo, maniobrabilidad, condiciones de arranque en fro

y durabilidad absolutamente similares a los motores a gasolina, especialmente en pases coninviernos moderados.

Con la intensa utilizacin de la electrnica aplicada a sistemas avanzados de control demezcla y de ignicin, a partir del 2003 se lanzaron comercialmente en Brasil vehculos conmotores flexibles (flex-fuel), capaces de utilizar, sin cualquier interferencia del conductor, ga-solina (con 20% a 25% de etanol), etanol hidratado puro o mezclas de esos dos combustiblesen cualquier proporcin, segn exigencias de eficiencia y maniobrabilidad y atendiendo alos lmites legales de emisiones de gases de escape [Joseph Jr. (2007)]. Los vehculos equipa-dos con estos motores ya representan la mayora de los vehculos nuevos vendidos en Brasila partir de 2005 y, desde entonces, estn perfeccionndose en trminos de desempeo y

funcionalidad de los sistemas de arranque en fro. Actualmente, existen ms de 60 modelosdiferentes, fabricados por diez montadoras de origen estadounidense, europeo y japons ,instaladas en el pas. Obsrvese que esta concepcin de vehculo flexible, como la adoptadaen Brasil, permite que el usuario elija, segn su conveniencia, el combustible que usar, des-de 100% de etanol hidratado hasta una gasolina con 20% a 25% de etanol. En Estados Uni-



43/320

43

dos, en Canad o en Suecia tambin se comercializan vehculos con motores flexibles, perobajo otro concepto, operando en franjas de concentraciones de etanol que van desde lagasolina pura, sin etanol, hasta una mezcla con el 85% de etanol anhidro y el 15% de gasolina,

producto que est disponible en cantidad creciente, pero todava limitada, de gasolineras,con la sigla E85.

No obstante, la manera ms sencilla, frecuente e inmediata para utilizar el etanol como com-bustible es a travs de las mezclas con gasolina en los vehculos ya existentes en el pas, sinnecesidad de efectuar modificaciones en los motores. Esta es la situacin de mayor inters,tanto para los pases en desarrollo, los cuales pueden producir etanol y dependen de impor-taciones de combustibles para su abastecimiento, a un costo cada vez ms elevado, comopara los pases industrializados que tienen, actualmente, un potencial limitado de produccininterna de etanol, pero que pueden diversificar su matriz de combustibles lquidos, agregan-do a la produccin local el etanol importado de regiones con condiciones favorables paraproducir este biocombustible. En este sentido, es necesario verificar las implicaciones para adop-

tar las mezclas de etanol y gasolina sobre el desempeo de los motores, la maniobrabilidad yla durabilidad de los vehculos y el impacto ambiental asociado.

En Brasil, desde la dcada de 1980, la concentracin de etanol anhidro en toda la gasolinacomercializada en las gasolineras se mantuvo por encima del 20%. En Estados Unidos, quetambin pas a utilizar mezclas etanol-gasolina en esa misma dcada, esta concentracinestuvo limitada al 10%, tambin conocido como E10, y fue considerado por la industriaautomovilstica como el modelo del mximo de mezcla a adoptar sin necesidad de modifi-caciones de materiales, componentes o recalibraciones del motor. Recientemente, diversospases, como China, Tailandia, Australia y Colombia, adoptaron el E10 como punto de parti-da para introducir el uso del etanol en los mercados. En esas concentraciones el etanol actacomo un aditivo que mejora la calidad de la gasolina (octane booster) y reduce emisionescontaminantes, sustituyendo el tetraetilo de plomo y otros aditivos oxigenantes que presen-tan restriccin ambiental, como el MTBE, cuyo uso est prohibido en muchos pases. La ex-periencia de diversos pases con el E10 permite afirmar que se puede introducir esta mezclapara abastecer el parque vehicular existente sin mayores modificaciones.

La Tabla 3 muestra como varan las exigencias de modificaciones en los vehculos en funcinde la concentracin de etanol en la gasolina [Joseph Jr. (2005)]. Obsrvese que los vehculosa gasolina utilizados en Brasil (fabricados localmente o importados) estn preparados para uti-lizar concentraciones medias de etanol y ya cuentan con algunas modificaciones con relacina un vehculo para gasolina pura. En el caso de los motores flexibles, se verifica que la con-cepcin estadounidense, que utiliza mezclas con hasta 85% de etanol en la gasolina, es ms

sencilla que la brasilea, pues no viene equipada con el sistema auxiliar de arranque en froy no permite que los motores operen incluso con etanol puro. No obstante, con el desarrollode sistemas de inyeccin ms avanzados, en un futuro prximo no habr necesidad de estossistemas auxiliares, y la configuracin adoptada en Brasil podr ser simplificada.



44/320

44

Tabla 3 Exigencias de modificaciones en vehculos para diferentes concentracionesde bioetanol en la gasolina

% de

bioetanol

en la

gasolina

Modificaes em um veculo a gasolina pura

Carburador

Inyeccindecombustible

Bombadecombustible

Filtrodecombustible

Sistemadeignicin

Tanquedecombustible

Conversorcataltico

Motorbsico

Aceitedelmotor

Colectordeadmisin

Sistemadeescape

Sistemadearranqueenfro

5% Para cualquier vehculo 10% Para vehculo producido a partir de 1990

25% Vehculo brasileo a gasolina

85% Vehculo flexible utilizado en los EE.UU. y en Canad

85% Vehculo flexible utilizado en Brasil

No son necesarias modificaciones Probablemente son necesarias modificacionesFuente: Elaborado en base a Joseph Jr. (2005).

Cuando se mezcla el etanol a la gasolina, resulta un nuevo combustible, con algunas caracte-rsticas distintas del valor determinado por la ponderacin directa de las propiedades de cadacomponente, a causa del comportamiento no lineal de ciertas propiedades. Es necesariorecordar que, mientras que el etanol es una sustancia qumica simple, la gasolina es siempreuna mezcla con ms de 200 diferentes especies de hidrocarburos derivados del petrleo. Acontinuacin se comentan las principales propiedades de las mezclas gasolina/etanol y sucomportamiento en aspectos ambientales.

Octanaje

Octanaje es la medida de resistencia de un combustible a la auto-ignicin y a la detonacin,evaluada por los mtodos Motor (MON) y Research (RON) respectivamente,, que permiteinferir el comportamiento de un motor alimentado con este combustible, en condicionesde carga elevada o carga constante. El etanol es, reconocidamente, un excelente aditivoantidetonante y mejora el octanaje de la gasolina-base de modo sensible. Exactamente portener toda la gasolina mezclada con etanol, Brasil fue uno de los primeros pases del mundoen abolir totalmente el tetraetilo de plomo y slo adopt el MTBE de modo ocasional y lo-



45/320

45

calizado, durante los aos 1990. Estos aditivos antidetonantes todava se emplean en algunospases, pero ocasionaron problemas ambientales y estn en progresivo desuso. Como se puedeobservar por los valores presentados en la Tabla 4, la adicin de etanol afecta ms al octanaje

RON que al MON y se constata, adems, una gran influencia de la composicin de la gasolina-base y, por lo tanto, de su octanaje original sobre el incremento del octanaje, debido al etanol.Como regla general y de clara importancia, cuanto ms bajo es el octanaje de la gasolina-base,ms significativa es la ganancia debido al etanol.

Tabla 4 Efecto del bioetanol en el octanaje de la gasolina-base

Composicin de la gasolina-base

Incremento del octanaje con

5% debioetanol

10% debioetanol

15% debioetanol

20% debioetanol

Aromticos Olefnicos Saturados MON RON MON RON MON RON MON RON

50 15 35 0,1 0,7 0,3 1,4 0,5 2,2 0,6 2,9

25 25 50 0,4 1,0 0,9 2,1 1,3 3,1 1,8 4,115 12 73 1,8 2,3 3,5 4,4 5,1 6,6 6,6 8,611 7 82 2,4 2,8 4,6 5,5 6,8 8,1 8,8 10,6

Fuente: Carvalho (2003).

Volatilidad

Para que un combustible se queme correctamente, es necesario que est bien mezclado conel aire. Por lo tanto, la facilidad de un combustible lquido en vaporizarse es una propiedadimportante, que afecta directamente a diversos parmetros de desempeo del vehculo, comocondiciones de arranques en fro o en caliente, aceleracin, economa de combustible y dilu-cin del aceite lubricante. Exactamente por esto, los combustibles derivados de petrleo de-ben presentar una composicin equilibrada entre fracciones livianas y pesadas, para produciruna curva de destilacin, segn la cual el producto comienza a vaporizarse a temperaturasrelativamente ms bajas y termina a temperaturas mucho ms elevadas que la temperaturaambiente. La adicin de etanol tiende a reducir la curva de destilacin, especialmente en laprimera mitad, afectando la temperatura T50, correspondiente al 50% de la masa evaporada,aunque las temperaturas inicial y final de destilacin estn poco afectadas. En este sentido,agregar etanol tiene poca importancia para el comportamiento de los motores.

No obstante, una propiedad importante y relacionada a la volatilidad la presin de vapor es significativamente afectada al agregarse etanol. La presin de vapor determina el nivel delas emisiones evaporativas y la posibilidad de que ocurra formacin de vapor en las lneas de ali-

mentacin de combustible, un problema atenuado con la actual adopcin de bombasde combustible en el tanque, como sucede en la gran mayora de los vehculos modernos. Esinteresante constatar que, aunque la presin de vapor de la gasolina pura sea superior a la deletanol puro, como se present en la Tabla 2, la adicin de etanol a la gasolina eleva la presinde vapor de la mezcla. Este incremento, tpicamente, presenta un mximo alrededor de un



46/320

46

5% en volumen de etanol en la gasolina, reducindose lentamente a medida que crece laconcentracin de etanol. A ttulo de ejemplo, se puede mencionar determinada composicinde gasolina que, al recibir el 5% de etanol, la presin se elevada a 7 kPa, mientras que, con el

10% en volumen, esta presin alcanza 6,5 kPa [Furey (1985)]. Este efecto puede corregirse sindificultades, al ajustar la composicin de la gasolina-base, para garantizar que la mezcla cum-ple con las especificaciones. En Brasil y otros pases que usan etanol en la gasolina, la presinde vapor est siendo especificada en niveles similares a la gasolina pura. En pocas palabras, elefecto del etanol sobre la presin de vapor puede ser controlado sin mayores dificultades.

Desempeo

Como las mezclas gasolina/etanol se pueden ajustar adecuadamente para atender a las espe-cificaciones tpicas de una gasolina pura, no existen, necesariamente, problemas de desem-peo y maniobrabilidad, siempre que se cumpla con los requisitos de calidad especificadospara los combustibles. No obstante, en comparacin con la gasolina pura, una gasolina con

un 10% de etanol necesita el 16,5% ms de calor para vaporizarse totalmente, lo que puedeser una dificultad real en temperaturas muy bajas [TSB (1998)]. Por otro lado, el mayor calorde vaporizacin de la gasolina mezclada con etanol es una de las razones principales para quela eficiencia de un motor que utiliza este combustible aumente entre 1% y 2% con relacin aldesempeo de la gasolina pura. De este modo, aunque una gasolina con un 10% de etanolcontenga 3,3% menos energa por unidad de volumen, el efecto final sobre el consumo decombustible es menor y depende de las condiciones particulares de uso [Orbital (2002)].

Este punto es relevante: en concentraciones de hasta 10%, el efecto de la adicin de etanolsobre el consumo de los vehculos es inferior a la variacin de consumo observada entre dife-rentes automovilistas y, para efectos prcticos, un litro de gasolina mezclada con etanol pro-duce prcticamente los mismos efectos que un litro de gasolina pura [Salih y Andrews (1992)

y Brusstar y Bakenhus (2005)]. Ya para concentraciones ms elevadas, como 25% de etanol,correspondiendo a un contenido energtico en volumen un 10% inferior, se observa unpromedio del aumento en el consumo del 3% a 5% sobre la gasolina pura. Estos resultados,confirmados en muchos ensayos de campo, indican como el etanol, aunque presente menorpoder calorfico, permite mejorar la eficiencia del motor, gracias a la menor temperatura en laignicin y al mayor volumen de los productos de combustin. Con el etanol puro hidratado,este efecto es an ms sensible, siempre que el motor est correctamente adaptado para estecombustible, incrementando el ndice de compresin: aunque presente un poder calorficocerca del 40% inferior al de la gasolina, el efecto final en los motores actuales es un consumode 25% a 30% ms elevado que la gasolina.

A mediano plazo, la adopcin de conceptos ms avanzados de ingeniera de motores, comola inyeccin directa de combustible, ndices de compresin ms elevados y sistemas de tur-boalimentacin inteligentes, podr provocar importantes beneficios en el consumo especfi-co de los motores a etanol hidratado, incluso superando los valores obtenidos con gasolinapura [Szwarc (2008)].



47/320

47

Separacin de fases

La posibilidad de que suceda una separacin de fases acuosas en una mezcla etanol/gasolinaes, a menudo, mencionada como un problema para adoptar el etanol combustible. Hay un

temor de que, de algn modo, el agua sea introducida con el etanol o se condense en eltanque de combustible de un vehculo, separndose del fondo y causando problemas parael funcionamiento normal del motor. En realidad, este problema tiende a ser tanto menorcuanto mayor sea el agregado de etanol a la gasolina. Mientras que la gasolina pura prcti-camente no absorbe agua, el etanol anhidro tiene total afinidad con el agua, y las mezclasgasolina/etanol presentan una capacidad de disolver agua directamente proporcional a laconcentracin alcohlica, como se indica en el diagrama ternario presentado en la Figura4. Cuanto ms elevada es la concentracin de etanol en la gasolina, ms ancha es la franjaque define la regin donde ocurre total solubilidad, como se observa en la parte superior deldiagrama. En temperaturas muy bajas, este efecto es menos intenso, pero, de todos modos, eletanol siempre acta como un co-solvente entre la gasolina y el agua, reduciendo los riesgos

de separacin de la fase acuosa de la gasolina.Figura 4 Solubilidad de agua en mezclas gasolina/etanol

Etanol 100% Vol.

Gasolina 100% Vol. Agua 100% Vol.(% de Volumen a 24 C)

90

80

70

60

60

60

70

80

80

9090

70

50

10

10

20

20

20

30

30

30

40

40

50

50

4

REGIN DE 2 FASES

Fuente: CTC (1998).



48/320

48

La posibilidad de que la gasolina con etanol presente una solubilidad razonable para el agua yel hecho de que haya adecuadas temperaturas en Brasil explican como funcionan sin proble-mas los vehculos flexibles en ese pas, en donde se los pueden abastecer con cualquier mezcla

de gasolina (con 20% a 25% de etanol) y etanol hidratado, cuya agua no se separa exactamentegracias al alcohol previamente contenido en la gasolina. Si la gasolina brasilea no contuviera unaconcentracin elevada de etanol anhidro, la mezcla con etanol hidratado probablemente condu-cira a una separacin de fases, especialmente en condiciones con temperaturas inferiores a18C. Por lo tanto, no tiene sentido imaginar que el agregado de etanol anhidro a la gasolinacausa problemas de separacin de fases en verdad, reduce esos problemas.

Compatibilidad de materiales

Algunos materiales plsticos ms antiguos, utilizados en sellados, mangueras y filtros, comola goma natural y la goma sinttica butlica, tienden a degradarse ms rpidamente con eletanol. Sin embargo, desde 1980, estos materiales se estn reemplazando por elastmeros

fluorados, lo que solucion este problema. La Tabla 5 muestra los resultados de pruebas dedurabilidad conducidas por el ejrcito britnico [Orbital (2002)], confirmando la adecuacinal etanol de la mayora de los plsticos usados actualmente. Tambin, en este sentido, unaempresa de petrleo presenta los siguientes comentarios a sus consumidores:

Segn la experiencia, no hay un problema significativo de compatibilidad de ga-solinas con oxigenados y elastmeros en coches ms antiguos. No aumentaron losproblemas al introducirse la gasolina con etanol o MTBE en reas metropolitanasen 1992, incluso en las regiones con mayores proporciones de

Libro Bioetanol

Documents

Transcript of Libro Bioetanol