El etanol celulósico es un tipo de biocombustible producido a partir de lignocelulosa, un material estructural que comprende gran parte de la masa de las plantas. La lignocelulosa se compone principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina. El rastrojo de maíz, Panicum virgatum (pasto), las especies de miscanthus, las astillas de madera y los subproductos del mantenimiento del césped y los árboles son algunos de los materiales celulósicos más populares para la producción de etanol.La producción de etanol a partir de lignocelulosa tiene la ventaja de una materia prima abundante y diversa en comparación con fuentes como los azúcares de maíz y caña, pero requiere una mayor cantidad de procesamiento para hacer que los monómeros de azúcar estén disponibles para los microorganismos que normalmente se utilizan para producir etanol por fermentación.
Switchgrass y Miscanthus son los principales materiales de biomasa que se estudian hoy en día, debido a su alta productividad por acre. Sin embargo, la celulosa está contenida en casi todas las plantas, árboles y arbustos naturales que crecen en libertad, en prados, bosques y campos de todo el mundo sin el esfuerzo o costo agrícola necesario para hacerlo crecer.
Uno de los beneficios del etanol celulósico es que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en un 85% con respecto a la gasolina reformulada. Por el contrario, el etanol de almidón (por ejemplo, del maíz), que utiliza con mayor frecuencia el gas natural para proporcionar energía para el proceso, puede no reducir las emisiones de GEI en absoluto, dependiendo de cómo se produzca la materia prima a base de almidón. Según la Academia Nacional de Ciencias en 2011, no existe una bio-refinería comercialmente viable para convertir la biomasa lignocelulósica en combustible. La ausencia de producción de etanol celulósico en las cantidades requeridas por la regulación fue la base de una decisión del Tribunal de Apelaciones de los Estados Unidos para el Distrito de Columbia anunciada el 25 de enero de 2013, anulando un requisito impuesto a los productores de combustible de automóviles y camiones en los Estados Unidos por La Agencia de Protección Ambiental que requiere la adición de biocombustibles celulósicos a sus productos. Estos problemas, junto con muchos otros desafíos de producción difíciles, llevaron a los investigadores de políticas de la Universidad George Washington a afirmar que «a corto plazo, el etanol [celulósico] no puede cumplir con los objetivos medioambientales y de seguridad energética de una alternativa a la gasolina».
Historia
El químico francés, Henri Braconnot, fue el primero en descubrir que la celulosa se podía hidrolizar en azúcares por tratamiento con ácido sulfúrico en 1819. El azúcar hidrolizado se podía procesar para formar etanol a través de la fermentación. La primera producción comercializada de etanol comenzó en Alemania en 1898, donde se utilizó ácido para hidrolizar la celulosa. En los Estados Unidos, la Standard Alcohol Company abrió la primera planta de producción de etanol celulósico en Carolina del Sur en 1910. Más tarde, se abrió una segunda planta en Louisiana. Sin embargo, ambas plantas se cerraron después de la Primera Guerra Mundial debido a razones económicas.
El primer intento de comercializar un proceso para el etanol a partir de madera se realizó en Alemania en 1898. Implicó el uso de ácido diluido para hidrolizar la celulosa a glucosa, y fue capaz de producir 7.6 litros de etanol por cada 100 kg de desechos de madera (18 US gal (68 l) por tonelada). Los alemanes pronto desarrollaron un proceso industrial optimizado para rendimientos de alrededor de 50 galones estadounidenses (190 L) por tonelada de biomasa. Este proceso pronto llegó a los EE. UU., Culminando en dos plantas comerciales que operaban en el sureste durante la Primera Guerra Mundial. Estas plantas utilizaron lo que se denominó «Proceso Americano», una hidrólisis de ácido sulfúrico diluido en una etapa. Si bien los rendimientos fueron la mitad que los del proceso original alemán (25 galones estadounidenses (95 L) de etanol por tonelada versus 50), el rendimiento del proceso estadounidense fue mucho mayor. Una caída en la producción de madera obligó a las plantas a cerrar poco después del final de la Primera Guerra Mundial. Mientras tanto, una pequeña pero constante investigación sobre hidrólisis ácida diluida continuó en el Laboratorio de Productos Forestales del USFS. Durante la Segunda Guerra Mundial, los EE. UU. Recurrieron nuevamente al etanol celulósico, esta vez para convertirlo en butadieno para producir caucho sintético. Se contrató a Vulcan Copper and Supply Company para construir y operar una planta para convertir el aserrín en etanol. La planta se basó en modificaciones al proceso original de Scholler alemán desarrollado por el Laboratorio de Productos Forestales. Esta planta alcanzó un rendimiento de etanol de 50 galones estadounidenses (190 L) por tonelada seca, pero aún no era rentable y se cerró después de la guerra.
Con el rápido desarrollo de las tecnologías de enzimas en las últimas dos décadas, el proceso de hidrólisis ácida ha sido reemplazado gradualmente por la hidrólisis enzimática. Se requiere un tratamiento previo químico de la materia prima para prehidrolizar (separar) la hemicelulosa, de modo que se pueda convertir de manera más efectiva en azúcares. El tratamiento previo con ácido diluido se desarrolla en base al trabajo inicial sobre hidrólisis ácida de la madera en el Laboratorio de Productos Forestales del USFS. Recientemente, el Laboratorio de Productos Forestales, junto con la Universidad de Wisconsin-Madison, desarrolló un tratamiento previo con sulfito para superar la recalcitación de la lignocelulosa para una hidrólisis enzimática robusta de la madera celulosa.
El presidente de los Estados Unidos, George W. Bush, en su discurso sobre el Estado de la Unión emitido el 31 de enero de 2006, propuso ampliar el uso de etanol celulósico. En su discurso sobre el estado de la Unión el 23 de enero de 2007, el presidente Bush anunció un mandato propuesto para 35 mil millones de galones estadounidenses (130,000,000 m3) de etanol para 2017. Se reconoce ampliamente que la producción máxima de etanol a partir de almidón de maíz es de 15 mil millones. galones (57,000,000 m3) por año, lo que implica un mandato propuesto para la producción de unos 20,000 millones de galones estadounidenses (76,000,000 m3) por año de etanol celulósico para 2017. El plan propuesto por Bush incluye $ 2 mil millones de fondos (¿de 2007 a 2017?) para etanol celulósico plantas, con un adicional de $ 1.6 mil millones (¿de 2007 a 2017?) anunciado por el USDA el 27 de enero de 2007.
En marzo de 2007, el gobierno de los EE. UU. Otorgó $ 385 millones en subvenciones destinadas a impulsar la producción de etanol a partir de fuentes no tradicionales, como astillas de madera, pastas de hierba y cáscaras de cítricos. La mitad de los seis proyectos elegidos utilizarán métodos termoquímicos y la otra mitad usarán métodos de etanol celulósico.
La compañía estadounidense Range Fuels anunció en julio de 2007 que se le otorgó un permiso de construcción del estado de Georgia para construir la primera planta de etanol celulósico de 380 millones de m3 (380,000 m3) por año a escala comercial en los EE. UU. La construcción comenzó en noviembre de 2007. La planta Range Fuels se construyó en Soperton, GA, pero se cerró en enero de 2011, sin haber producido etanol. Recibió una subvención de $ 76 millones del Departamento de Energía de los Estados Unidos, más $ 6 millones del Estado de Georgia, más un préstamo de $ 80 millones garantizado por el Programa de Asistencia de Biorrefinería de los Estados Unidos. Los Estados Unidos (EE. UU.) Y Brasil han sido los dos principales productores de etanol combustible desde la década de 1970.
Ciencias económicas
El cambio a un recurso de combustible renovable ha sido un objetivo desde hace muchos años. Sin embargo, la mayor parte de su producción es con el uso de etanol de maíz. En el año 2000, solo 6,2 mil millones de litros se produjeron en los Estados Unidos, pero este número se ha expandido más del 800% a 50 mil millones de litros en solo una década (2010). Las presiones del gobierno para cambiar a los recursos de combustible renovable han sido evidentes desde que la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Implementó la Norma de Combustible Renovable (RFS) de 2007, que exigía que se incluyera un cierto porcentaje de combustible renovable en los productos combustibles. El cambio a la producción de etanol celulósico a partir del etanol de maíz ha sido fuertemente promovido por el gobierno de los Estados Unidos. Incluso con estas políticas implementadas y los intentos del gobierno de crear un mercado para el etanol de celulosa, no hubo producción comercial de este combustible en 2010 y 2011. La Ley de seguridad e independencia energética originalmente estableció metas de 100 millones, 250 millones y 500 millones Galones para los años 2010, 2011 y 2012 respectivamente. Sin embargo, a partir de 2012 se proyectó que la producción de etanol celulósico sería de aproximadamente 10.5 millones de galones, lejos de su objetivo. Solo en 2007, el gobierno de los Estados Unidos aportó 1.000 millones de dólares para proyectos de etanol celulósico, mientras que China invirtió 500 millones de dólares en la investigación del etanol celulósico.
Debido a la falta de datos comerciales existentes de la planta, es difícil determinar el método exacto de producción que se empleará con mayor frecuencia. Los sistemas modelo intentan comparar los costos de diferentes tecnologías, pero estos modelos no pueden aplicarse a los costos de las plantas comerciales. Actualmente, hay muchas instalaciones piloto y de demostración abiertas que exhiben producción celulósica en una escala más pequeña. Estas instalaciones principales se resumen en la siguiente tabla.
Los costos iniciales para las plantas piloto de etanol lignocelulósico son altos. El 28 de febrero de 2007, el Departamento de Energía de EE. UU. Anunció $ 385 millones en subvenciones para seis plantas de etanol celulósico. Esta subvención financiará el 40% de los costos de inversión. El 60% restante proviene de los promotores de esas instalaciones. Por lo tanto, se invertirá un total de $ 1 mil millones para una capacidad de aproximadamente 140 millones de galones de EE. UU. (530,000 m3). Esto se traduce en una capacidad de producción de $ 7 / galón anual en costos de inversión de capital para plantas piloto; Se espera que los costos de capital futuros sean más bajos. Las plantas de maíz a etanol cuestan aproximadamente $ 1–3 / galón anual de capacidad, aunque el costo del maíz en sí es considerablemente mayor que para la hierba de conmutación o la biomasa de residuos.
A partir de 2007, el etanol se produce principalmente a partir de azúcares o almidones, obtenidos de frutas y granos. En contraste, el etanol celulósico se obtiene de la celulosa, el componente principal de la madera, la paja y gran parte de la estructura de las plantas. Dado que los humanos no pueden digerir la celulosa, la producción de celulosa no compite con la producción de alimentos, aparte de la conversión de la tierra de la producción de alimentos a la producción de celulosa (que recientemente comenzó a ser un problema, debido al aumento de los precios del trigo). El precio por tonelada de la materia prima es, por lo tanto, mucho más barato que el de los granos o frutas. Además, dado que la celulosa es el componente principal de las plantas, toda la planta puede ser cosechada. Esto da como resultado rendimientos mucho mejores: hasta 10 toneladas cortas por acre (22 t / ha), en lugar de 4-5 toneladas cortas / acre (9–11 t / ha) para las mejores cosechas de grano.
La materia prima es abundante. Aproximadamente 323 millones de toneladas de materias primas que contienen celulosa que podrían usarse para crear etanol se desechan cada año solo en EE. UU.Esto incluye 36.8 millones de toneladas secas de desechos urbanos de madera, 90.5 millones de toneladas secas de residuos de molinos primarios, 45 millones de toneladas secas de residuos forestales y 150.7 millones de toneladas secas de restos de maíz y paja de trigo. Transformarlos en etanol usando enzimas hemi (celulasa) eficientes y rentables u otros procesos podrían proporcionar hasta un 30% del consumo actual de combustible en los Estados Unidos. Además, incluso las tierras marginales para la agricultura podrían sembrarse con cultivos que producen celulosa, como la hierba de conmutación, lo que daría lugar a una producción suficiente como para sustituir todas las importaciones actuales de petróleo en los Estados Unidos.
El papel, el cartón y el embalaje representan una parte sustancial de los desechos sólidos que se envían a los vertederos en los Estados Unidos cada día, el 41.26% de todos los desechos sólidos municipales orgánicos (MSW) de acuerdo con los perfiles de la ciudad de California Integrated Waste Management Board. Estos perfiles de ciudades cuentan con una acumulación de 612.3 toneladas cortas (555.5 t) por relleno sanitario, donde persiste una densidad de población promedio de 2,413 por milla cuadrada. Todos estos, excepto el panel de yeso, contienen celulosa, que se puede transformar en etanol celulósico. Esto puede tener beneficios ambientales adicionales porque la descomposición de estos productos produce metano, un potente gas de efecto invernadero.
La reducción de la eliminación de residuos sólidos a través de la conversión de etanol celulósico reduciría los costos de eliminación de residuos sólidos por parte de los gobiernos locales y estatales. Se estima que cada persona en los EE. UU. Tira 4,4 libras (2,0 kg) de basura cada día, de los cuales el 37% contiene papel de desecho, que es en gran parte celulosa. Eso se calcula a 244 mil toneladas por día de papel de desecho desechado que contiene celulosa. La materia prima para producir etanol celulósico no solo es gratuita, también tiene un costo negativo, es decir, a los productores de etanol se les puede pagar para que se los lleven.
En junio de 2006, se informó a una audiencia en el Senado de EE. UU. Que el costo actual de producir etanol celulósico es de US $ 2.25 por galón en EE. UU. (US $ 0.59 por litro), principalmente debido a la pobre eficiencia de conversión actual. A ese precio, costaría alrededor de $ 120 sustituir un barril de petróleo (42 galones de EE. UU. (160 L)), teniendo en cuenta el menor contenido de energía del etanol. Sin embargo, el Departamento de Energía es optimista y ha solicitado que se duplique la financiación de la investigación. A la misma audiencia del Senado se le dijo que el objetivo de la investigación era reducir el costo de producción a US $ 1.07 por galón estadounidense (US $ 0.28 / litro) para 2012. «La producción de etanol celulósico representa no solo un paso hacia la verdadera diversidad de energía para el país. pero una alternativa muy rentable a los combustibles fósiles. Es un armamento avanzado en la guerra contra el petróleo «, dijo Vinod Khosla, socio gerente de Khosla Ventures, quien recientemente dijo a Reuters Global Biofuels Summit que podía ver los precios del combustible celulósico bajando a 1 dólar. por galón dentro de diez años.
En septiembre de 2010, un informe de Bloomberg analizó la infraestructura de biomasa europea y el futuro desarrollo de la refinería. Los precios estimados para un litro de etanol en agosto de 2010 son de EUR 0.51 por 1 gy 0.71 por 2 g. [Aclaración necesaria] El informe sugiere que Europa debería copiar los subsidios actuales de los EE. UU. De hasta $ 50 por tonelada seca.
Recientemente, el 25 de octubre de 2012, BP, uno de los líderes en productos de combustible, anunció la cancelación de su planta de escala comercial de $ 350 millones propuesta. Se estimó que la planta produciría 36 millones de galones al año en su ubicación en el Condado de Highlands en Florida. BP aún ha proporcionado 500 millones de dólares para la investigación de biocombustibles en el Instituto de Biociencias de la Energía. General Motors (GM) también ha invertido en compañías celulósicas, más específicamente en Mascoma y Coskata. Hay muchas otras empresas en construcción o en dirección a ella. Abengoa está construyendo una planta de 25 millones de galones por año en una plataforma tecnológica basada en el hongo Myceliophthora thermophila para convertir la lignocelulosa en azúcares fermentables. Poet también está en medio de producir 200 millones de dólares, 25 millones de galones por año en Emmetsburg, Iowa.Mascoma ahora se asoció con Valero y ha declarado su intención de construir 20 millones de galones por año en Kinross, Michigan. China Alcohol Resource Corporation ha desarrollado una planta de etanol celulósico de 6,4 millones de litros en funcionamiento continuo.
Además, desde 2013, la compañía brasileña GranBio está trabajando para convertirse en un productor de biocombustibles y productos bioquímicos. La empresa familiar está encargando una planta de etanol celulósico (etanol 2G) de 82 millones de litros por año (22 MMgy) en el estado de Alagoas, Brasil, que será la primera instalación industrial del grupo. La instalación de etanol de segunda generación de GranBio está integrada a una planta de etanol de primera generación operada por Grupo Carlos Lyra, utiliza tecnología de proceso de Beta Renewables, enzimas de Novozymes y levadura de DSM. Abriendo terreno en enero de 2013, la planta está en la puesta en servicio final. Según los registros financieros anuales de GranBio, la inversión total fue de 208 millones de dólares estadounidenses.
Materias primas
En general, existen dos tipos de materias primas: biomasa forestal (leñosa) y biomasa agrícola. En los EE. UU., Se pueden producir de forma sostenible aproximadamente 1.400 millones de toneladas secas de biomasa anualmente. Cerca de 370 millones de toneladas o el 30% son biomasa forestal.La biomasa forestal tiene mayor contenido de celulosa y lignina y menor contenido de hemicelulosa y ceniza que la biomasa agrícola. Debido a las dificultades y al bajo rendimiento de etanol en el hidrolizado de pre-tratamiento de fermentación, especialmente aquellos con azúcares de hemicelulosa de 5 carbonos muy altos, como la xilosa, la biomasa forestal tiene ventajas significativas sobre la biomasa agrícola. La biomasa forestal también tiene una alta densidad que reduce significativamente el costo de transporte. Se puede cosechar durante todo el año, lo que elimina el almacenamiento a largo plazo. El contenido cercano a cero de cenizas de la biomasa forestal reduce significativamente la carga muerta en el transporte y el procesamiento. Para satisfacer las necesidades de biodiversidad, la biomasa forestal será una importante combinación de suministro de materia prima de biomasa en la futura economía de base biológica. Sin embargo, la biomasa forestal es mucho más recalcitrante que la biomasa agrícola. Recientemente, el Laboratorio de Productos Forestales del USDA junto con la Universidad de Wisconsin-Madison desarrollaron tecnologías eficientes que pueden superar la fuerte recalculación de la biomasa forestal (leñosa), incluidas las de especies de madera blanda que tienen un bajo contenido de xilano. El cultivo intensivo de rotación corta o el cultivo de árboles pueden ofrecer una oportunidad casi ilimitada para la producción de biomasa forestal.
Las astillas de madera de los tajos y las copas de los árboles y el polvo de las sierras y la pasta de papel de desecho son materias primas de biomasa forestal comunes para la producción de etanol celulósico.
Los siguientes son algunos ejemplos de biomasa agrícola:
Switchgrass (Panicum virgatum) es una pradera nativa de pastos altos. Conocida por su resistencia y rápido crecimiento, esta planta perenne crece durante los meses cálidos a alturas de 2 a 6 pies.Switchgrass se puede cultivar en la mayoría de las partes de los Estados Unidos, incluidos pantanos, llanuras, arroyos y a lo largo de las costas y amp; carreteras interestatales. Es auto-sembrado (no hay tractor para sembrar, solo para cortar), resistente a muchas enfermedades y plagas, y amp; Puede producir altos rendimientos con bajas aplicaciones de fertilizantes y otros químicos. También es tolerante a suelos pobres, inundaciones y amp; sequía; Mejora la calidad del suelo y evita la erosión por su tipo de sistema radicular.
Switchgrass es un cultivo de cobertura aprobado para terrenos protegidos por el Programa de Reserva de Conservación (CRP) federal. CRP es un programa gubernamental que paga a los productores una tarifa por no cultivar en tierras en las que los cultivos crecieron recientemente. Este programa reduce la erosión del suelo, mejora la calidad del agua y aumenta el hábitat de la vida silvestre. La tierra CRP sirve como un hábitat para el juego de tierras altas, como los faisanes y los patos, y una serie de insectos. El pasto para la producción de biocombustibles se ha considerado para uso en terrenos del Programa de Reserva de Conservación (CRP), lo que podría aumentar la sostenibilidad ecológica y reducir el costo del programa de CRP. Sin embargo, las reglas de CRP deberían modificarse para permitir este uso económico de la tierra de CRP.
Miscanthus × giganteus es otra materia prima viable para la producción de etanol celulósico. Esta especie de pasto es nativa de Asia y es el híbrido triploide estéril de Miscanthus sinensis y Miscanthus sacchariflorus. Puede crecer hasta 12 pies (3,7 m) de altura con poca agua o fertilizante.Miscanthus es similar a switchgrass con respecto a la tolerancia al frío y la sequía y la eficiencia en el uso del agua. Miscanthus se cultiva comercialmente en la Unión Europea como una fuente de energía combustible.
Las mazorcas de maíz y los restos de maíz son la biomasa agrícola más popular.
Se ha sugerido que Kudzu puede convertirse en una fuente valiosa de biomasa.
A base de maíz vs. a base de hierba
En 2008, solo había una pequeña cantidad de hierba de hierba dedicada a la producción de etanol.Para que se cultive en una producción a gran escala, debe competir con los usos existentes de las tierras agrícolas, principalmente para la producción de productos agrícolas. De los 2,26 billones de acres (9,1 millones de km2) de tierras no sumergidas de los Estados Unidos, 33% son tierras forestales, 26% pastizales y pastizales, y 20% tierras de cultivo. Un estudio realizado por los Departamentos de Energía y Agricultura de EE. UU. En 2005 determinó si había suficientes recursos de tierra disponibles para sostener la producción de más de mil millones de toneladas secas de biomasa por año para reemplazar el 30% o más del uso actual de combustibles líquidos para el transporte de la nación. El estudio descubrió que podría haber 1.300 millones de toneladas secas de biomasa disponibles para el uso del etanol, haciendo pequeños cambios en las prácticas agrícolas y forestales y satisfaciendo las demandas de productos forestales, alimentos y fibra. Un estudio reciente realizado por la Universidad de Tennessee informó que hasta 100 millones de acres (400,000 km2, o 154,000 millas cuadradas) de tierras de cultivo y pastos deberán asignarse a la producción de pasto para compensar el uso de petróleo en un 25 por ciento.
| Resumen de Searchinger et al. Comparación de etanol de maíz y emisiones de GEI de gasolina. Con y sin cambio de uso del suelo. (Gramos de CO 2 liberados por megajulio de energía en combustible) |
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|---|---|---|---|---|
| Tipo de combustible (NOSOTROS) |
Carbón intensidad |
Reducción GEI |
Carbón intensidad + ILUC |
Reducción GEI |
| Gasolina | 92 | – | 92 | – |
| Etanol de maiz | 74 | -20% | 177 | + 93% |
| Etanol celulósico | 28 | -70% | 138 | + 50% |
| Notas: Calculado utilizando suposiciones predeterminadas para el escenario 2015 para etanol en E85. La gasolina es una combinación de gasolina convencional y reformulada. |
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Actualmente, el maíz es más fácil y menos costoso de procesar en etanol en comparación con el etanol celulósico. El Departamento de Energía estima que cuesta alrededor de $ 2.20 por galón para producir etanol celulósico, que es el doble que el etanol del maíz. Las enzimas que destruyen el tejido de la pared celular de las plantas cuestan de 30 a 50 centavos por galón de etanol, en comparación con los 3 centavos por galón del maíz. El Departamento de Energía espera reducir el costo de producción a $ 1.07 por galón para 2012 para que sea efectivo. Sin embargo, la biomasa celulósica es más barata de producir que el maíz, ya que requiere menos insumos, como energía, fertilizantes, herbicidas y se acompaña de una menor erosión del suelo y una mejor fertilidad del suelo. Además, los sólidos no fermentables y no convertidos que quedan después de producir etanol se pueden quemar para proporcionar el combustible necesario para operar la planta de conversión y producir electricidad. La energía utilizada para operar las plantas de etanol a base de maíz se deriva del carbón y el gas natural. El Instituto para la autosuficiencia local estima que el costo del etanol celulósico de la primera generación de plantas comerciales estará en el rango de $ 1.90 a $ 2.25 por galón, sin incluir los incentivos. Esto se compara con el costo actual de $ 1.20– $ 1.50 por galón para etanol a partir de maíz y el precio minorista actual de más de $ 4.00 por galón para gasolina regular (que está subsidiada y sujeta a impuestos).
Una de las principales razones para aumentar el uso de biocombustibles es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. En comparación con la gasolina, el etanol se quema de forma más limpia, lo que pone menos dióxido de carbono y la contaminación general en el aire. Además, solo se producen niveles bajos de smog a partir de la combustión. Según el Departamento de Energía de EE. UU., El etanol de celulosa reduce la emisión de gases de efecto invernadero en un 86 por ciento en comparación con la gasolina y el etanol a base de maíz, lo que reduce las emisiones en un 52 por ciento. Las emisiones de gas de dióxido de carbono son 85% más bajas que las de la gasolina.El etanol celulósico contribuye poco al efecto invernadero y tiene un balance neto de energía cinco veces mejor que el etanol a base de maíz. Cuando se usa como combustible, el etanol celulósico libera menos azufre, monóxido de carbono, partículas y gases de efecto invernadero. El etanol celulósico debería otorgar a los productores créditos de reducción de carbono, más altos que los que reciben los productores que cultivan maíz para obtener etanol, que es de aproximadamente 3 a 20 centavos por galón.
Se requieren 0.76 J de energía de los combustibles fósiles para producir 1 J de etanol a partir de maíz. Este total incluye el uso de combustibles fósiles utilizados para fertilizantes, combustible para tractores, operación de plantas de etanol, etc. Las investigaciones han demostrado que los combustibles fósiles pueden producir más de cinco veces el volumen de etanol de las praderas, según Terry Riley, Presidente de Política en el Theodore Roosevelt Conservation Partnership. El Departamento de Energía de los Estados Unidos concluye que el etanol a base de maíz proporciona un 26 por ciento más de energía de la que requiere para la producción, mientras que el etanol celulósico proporciona un 80 por ciento más de energía. El etanol celulósico produce un 80 por ciento más de energía de la que se necesita para crecer y convertirlo. El proceso de convertir el maíz en etanol requiere aproximadamente 1700 veces (en volumen) tanta agua como el etanol producido. [Dudoso – discutir] Además, deja 12 veces su volumen en residuos. El etanol de grano usa solo la porción comestible de la planta.
La celulosa no se usa como alimento y se puede cultivar en todo el mundo. Toda la planta puede ser utilizada cuando se produce etanol celulósico. Switchgrass produce el doble de etanol por acre que el maíz. Por lo tanto, se necesita menos tierra para la producción y, por lo tanto, menos fragmentación del hábitat. Los materiales de biomasa requieren menos insumos, como fertilizantes, herbicidas y otros productos químicos que pueden representar un riesgo para la vida silvestre. Sus extensas raíces mejoran la calidad del suelo, reducen la erosión y aumentan la captura de nutrientes. Los cultivos energéticos herbáceos reducen la erosión del suelo en más del 90%, en comparación con la producción de cultivos convencionales. Esto puede traducirse en una mejor calidad del agua para las comunidades rurales. Además, los cultivos energéticos herbáceos agregan material orgánico a los suelos agotados y pueden aumentar el carbono del suelo, lo que puede tener un efecto directo en el cambio climático, ya que el carbono del suelo puede absorber dióxido de carbono en el aire. En comparación con la producción de cultivos básicos, la biomasa reduce la escorrentía superficial y el transporte de nitrógeno. Switchgrass proporciona un entorno para diversas especies de vida silvestre, principalmente insectos y aves terrestres. Las tierras del Programa de Reserva de Conservación (CRP) están compuestas de pastos perennes, que se utilizan para el etanol celulósico, y pueden estar disponibles para su uso.
Durante años, los agricultores estadounidenses han practicado el cultivo en hileras, con cultivos como el sorgo y el maíz. Debido a esto, se sabe mucho sobre el efecto de estas prácticas en la vida silvestre. El efecto más significativo del aumento del etanol de maíz sería la tierra adicional que se tendría que convertir al uso agrícola y el aumento de la erosión y el uso de fertilizantes que acompaña a la producción agrícola. El aumento de nuestra producción de etanol a través del uso del maíz podría producir efectos negativos en la vida silvestre, cuya magnitud dependerá de la escala de producción y de si la tierra utilizada para este aumento de producción estuvo anteriormente inactiva, en estado natural, o plantada con otra hilera cultivos Otra consideración es si plantar un monocultivo de pasto o utilizar una variedad de pastos y otra vegetación. Si bien una mezcla de tipos de vegetación probablemente proporcionaría un mejor hábitat para la vida silvestre, la tecnología aún no se ha desarrollado para permitir el procesamiento de una mezcla de diferentes especies de gramíneas o tipos de vegetación en bioetanol. Por supuesto, la producción de etanol celulósico todavía está en su infancia, y la posibilidad de utilizar diversos soportes de vegetación en lugar de monocultivos merece una exploración más profunda a medida que la investigación continúa.
| Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos Proyecto de ciclo de vida reducción de emisiones de GEI resultados. Para diferentes enfoques de horizonte de tiempo y tasa de descuento. (incluye efectos indirectos de cambio de uso de la tierra) |
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|---|---|---|
| Camino del combustible | 100 años + 2% de descuento tarifa |
30 años + 0% de descuento tarifa |
| Etanol de maíz (molino seco de gas natural) (1) | -dieciséis% | + 5% |
| Etanol De Maíz (Best case NG DM) (2) | -39% | -18% |
| Etanol de maíz (molino seco de carbón) | + 13% | + 34% |
| Etanol de maíz (molino seco de biomasa) | -39% | -18% |
| Etanol de maíz (molino seco de biomasa con calor y potencia combinados) |
-47% | -26% |
| Etanol de caña de azúcar brasileña | -44% | -26% |
| Etanol celulósico de hierba de césped | -128% | -124% |
| Etanol celulósico a partir de restos de maíz | -115% | -116% |
| Notas: (1) las plantas de molino seco (DM) muelen todo el grano y generalmente producen Solo un coproducto primario: granos de destilería con solubles (DGS). (2) En el mejor de los casos, las plantas producen granos de destilería húmedos como coproducto. |
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Un estudio realizado por Paul Crutzen, ganador del Premio Nobel, encontró que el etanol producido a partir del maíz tenía un efecto de «calentamiento climático neto» cuando se compara con el petróleo cuando la evaluación del ciclo de vida completo considera adecuadamente las emisiones de óxido nitroso (N20) que se producen durante la producción de etanol de maíz. Crutzen descubrió que los cultivos con menos demanda de nitrógeno, como los pastos y las especies de coppice leñosas, tienen impactos climáticos más favorables.
Comercialización de etanol celulósico.
La comercialización de etanol celulósico es el proceso de construir una industria a partir de métodos para convertir la materia orgánica que contiene celulosa en combustible. Compañías como Iogen, POET y Abengoa están construyendo refinerías que pueden procesar biomasa y convertirla en etanol, mientras que compañías como DuPont, Diversa, Novozymes y Dyadic producen enzimas que podrían permitir el futuro del etanol celulósico. El cambio de materias primas para cultivos alimentarios a residuos de residuos y pastos nativos ofrece oportunidades significativas para una variedad de actores, desde agricultores a empresas de biotecnología, y desde desarrolladores de proyectos hasta inversores.
La industria del etanol celulósico desarrolló algunas plantas nuevas a escala comercial en 2008. En los Estados Unidos, las plantas con un total de 12 millones de litros (3,17 millones de galones) por año estaban operativas, y un adicional de 80 millones de litros (21,1 millones de galones) por año de capacidad. – En 26 nuevas plantas – estaba en construcción. En Canadá, la capacidad de 6 millones de litros por año era operativa. En Europa, varias plantas operaban en Alemania, España y Suecia, y se estaba construyendo una capacidad de 10 millones de litros por año.
Mossi con sede en Italia & amp; El 12 de abril de 2011, el Grupo Ghisolfi inauguró su planta de etanol celulósico de 13 MMgy en el noroeste de Italia. El proyecto será el proyecto de etanol celulósico más grande del mundo, 10 veces más grande que cualquiera de las instalaciones a escala de demostración que operan actualmente.
Plantas comerciales de etanol celulósico en los Estados Unidos.
(Operativo o en construcción)
| Empresa | Ubicación | Materia prima |
|---|---|---|
| Abengoa Bioenergía | Hugoton, KS | Paja de trigo |
| BlueFire Ethanol | Irvine, ca | Múltiples fuentes |
| Colusa Biomass Energy Corporation | Sacramento, CA | Residuos de paja de arroz |
| Coskata | Warrenville, IL | Biomasa, residuos agrícolas y municipales. |
| DuPont | Vonore, TN | Mazorcas de maíz, hierba de maíz |
| DuPont | Nevada, IA | Rastrojo de maíz |
| Fulcro Bioenergía | Reno, NV | Residuos sólidos urbanos |
| Energía de la costa del golfo | Cabeza de musgo, fl | Residuos de madera |
| KL Energy Corp. | Upton, WY | Madera |
| Mascoma | Lansing, MI | Madera |
| POET-DSM Advanced Biofuels | Emmetsburg, IA | Mazorcas de maíz, cáscaras y restos |
| Combustibles de rango | Condado de Treutlen, GA | Residuos de madera |
| SunOpta | Little Falls, MN | Astillas de madera |
| SweetWater Energy | Rochester, NY | Múltiples fuentes |
| US Envirofuels | Condado de Highlands, FL | Sorgo dulce |
| Xethanol | Auburndale, FL | Cáscaras de cítricos |