Biocombustibles de 3era generación

El bioetanol es un biocombustible de 1era generación, y todos los biocombustibles que vengan de biomasa lignocelulosica, como granos, azucares, residuos agroindustriales, aceites vegetales. Aunque han sido muy criticados por que parte de su producción de estos, vienen de granos que son alimentos para el ser humano o ganado (FIgura 1)

Figura 1.- Los biocombustibles de 1era generación vienen en un  gran porcentaje directos del tratamiento de granos que son alimento para el ser humano.

Los biocombustibles de 2da generación vienen de la biomasa o residuos municipales que la procesan para obtener materia con calor de combustión suficiente y que sea sustentable. Así que se usa residuos agroindustriales, llantas residuales y residuos con poder calorífico y se usan procesos como pirólisis (Figura 2), gasificación, radiación solar o rutas bioquímicas acompañadas con catálisis en ocasiones.
También se usa algas marinas y de agua dulce de tal manera que debe caracterizarse la materia antes de ser sometida a un proceso de transformación y que no genere residuos más peligrosos.

Figura 2.- La pirólisis de biomasa (residuos agroindustriales- no alimento) peude ser acoplada a procesos secundarios de tal manera que se obtengan diferente tipos de productos o un biocombustible muy enriquecido en poder calorífico. 

Los biocombustibles de 3era generación vienen de la microalgas (Figura 3) modificadas o no genéticamente de tal manera que se producen lípidos mas que carbohidratos, de tal manera que la pared celular es rota y se extraen selectivamente (con procesos diseñados para ello) los lípidos y luego estos se transforman en biodiesel.

Figura 3.- Las microalgas se pueden o no modificar geneticamente para mejorar la producción de lípidos y que sea más sencillo extraerlos, y así transformarlos en biodiesel.

Por lo tanto, ya se hacen muchas investigaciones para cosechar microalgas (Figura 4) en modo eficiente y económico para producir biocombustibles y hasta otros productos.

Figura 4.- La investigación de cosecha de microalgas esta en voga

La producción industrial de microalgas es muy interesante e importante para muchos países como China y otros, actualmente (Figura 5).

Figura 5.- El cultivo de microalgas consume CO2 (gas invernadero) y luz solar.

¿Tu piensas que puedes entrarle al mercado de las microalgas?
Opina.

Aprovechar el biogas de los rellenos sanitarios de plantas tratadoras de aguas

Un relleno sanitario es un sistema  cuidadosamente diseñado y gestionado, que actúa como una opción de disposición final de residuos.
Los residuos pueden ser basura municipal no peligrosa, residuos peligrosos clasificados o residuos orgánicos, como los lodos de las plantas tratadoras de agua (PTA) (Figura 1).

Fiura 1.- Esquema de un relleno sanitario bien aministrado

Figura 2.- Lodos de planta tratadora de agua.

 Los lodos activados de las PTA son una fuente importante de masa orgánica y un consorcio microbiano, con bacterias productoras de metano entre otras.
Los lodos son separados en las plantas tratadoras de agua (Figura 3)

Figura 3.- Sepración de lodos en planta tratadora de aguas.

El relleno sanitario de los lodos activados de las plantas tratadoras de agua pueden producir biogas. El biogas puede tener composición de CH4 de 30-65%, CO2 de 25-47% con trazas de N2, H2 y H2S. (Figura 4)

Figura 4.- Relleno sanitario indicando un llama de  un gas que es el biogas que se produce en el relleno.

El biogas puede ser quemado directamente saliendo del relleno sanitario para no lanzar gas metanos a la atmósfera con 24 veces mas poder de efecto invernadero que el CO2. Pero también puede ser limpiado (Figura 5), llevado a un grado mayor de homogenidad o transformalo a hidrógeno con un  reactor catalítico.

Figura 5.- El biogas puede ser limpiado y llevado a un grado mayor en composición de metano, que es el mayor componente del gas natura.

Otra reacción conocida es la reformación de metano con agua, para producir hidrógeno y monoxido de carbono, gases con poder reductor (Figura 6)

Figura 6 Reacción de reformado de metano.

Yo veo lo siguiente:

Las plantas tratadoras de agua producen lodos activados=> estos pueden producir biogas=> el biogas puede producir metano=>  y este puede producir hidrógeno=> este un combustible, una materia primar para muchas reacciones y síntesis=> nuevos materiales=> movilidad  y calor en las ciudades al quemar hidrógeno=> se libera AGUA a la atmósfera en forma de vapor.

¿Tú que piensas? ¿Es una opción sustentable los lodos de las plantas tratadoras de agua?

¿Vivir a grandes distancias, vivir en ciudad concentrados o vivir en pequeños pueblos?

A los humanos nos gusta vivir en las grandes ciudades, caoticas, con muchas oportunidades de trabajo, educación, esparcimiento, conocer gente para encontrar pareja, servicios de salud e inclusive para practicar una religión (Figura 1)

Figura 1. A los humanos nos gusta concentrarnos en grandes ciudades, por tener muchas ventajas.

Y los humanos que viven muy alejados de las ciudades y pueblos, ellos gastan mucha energía en suplir sus consumibles (Figura 2)

Figura 2.- Las personas que viven muy lejos de las grandes ciudades o pueblos gastan mucha energía en transportar sus necesidades de estos centros.

Pero luego existen ventajas de vivir lejos de las ciudades o pueblos, como menos ruido, mas aire fresco, menos stress, mayor convivencia con las personas que viven en la misma casa o apreciar a los vecinos mas cercanos.
En cambio en las grandes ciudades son tan grandes que varias personas tiene que recorrer grandes distancias para ir a sus trabajos o centros  de disparcimiento o ver a sus parientes o amigos. Claro esta el estres, contaminación, neurosis  de algunos ciudadanos , inseguridad y muchos otros más problemas. (Figura 3)

Figura 3.- ¿Vivir en el campo o vivir en la ciudad?

¿Dónde seremos más felices?¿Dónde viviremos más años?¿Dónde realizaremos nuestros sueños y llegaremos a nuestra autorealización? (Figura 4)

Figura 4. Aveces dentro de las grandes ciudades hay espacios que recuerdan paseos por pequeños pueblitos.

Yo Propongo:
1.- Vivir en ciudades no más grande de 400 mil habitantes (Figura 5)
2,. No tan alejadas unas ciudades de las otras.
3.- Los pueblos que esten a menos de 100 km de las ciudades.
4.- Los alimentos vegetales que se siembren muy cerca de las ciudades.
5.- La energía de las grandes ciudades sean en mayor porcentaje de fuentes renovables.
6.- En las escuelas a los niños educarlos para amar a las pequeñas ciudades y cuidar a los pueblitos.

Figura 5. Tucson en el estado de Arizona en Estados Unidos de America es una ciudad de 400 000 habitantes, es bastante basta y a la vez no tan caotica.

¿Tu que piensas llegaremos a un punto de optimizar el tamaño de nuestras ciudades?

Ingeniería de plantas químicas de moléculas provenientes de biomasa de desechos agroindustriales

Ya sabemos que podemos tener biocombustibles de moléculas provenientes de biomasa y esta que proviene de residuos agroindustriales (Figura 1)

Figura 1. Moléculas provenientes de biomasa proveniente de residuos agroindustriales

 Pero las moléculas deben ser extraídas, separadas, tratadas en reactores catalíticos y/o hidrogenación o algún otro tratamiento, luego debe pasar separaciones, purificaciones y almacenar o empacar; esto es una planta química (Figura 2).

Figura 2. Las plantas químicas de biomasa de residuos agroindustriales pueden llevar varias etapas y procesos unitarios necesarios para obtener producto de valor agregado.
Esto es un reto tipo de Ingeniería Química, donde se pueden realizar varias pruebas en laboratorio y en planta piloto ante de diseñar, instalar y arrancar una planta química. Los procesos unitarios son un reto "ya común" para los Ingeniero Químicos.
Pero el reto ahora esta en la materia prima; la biomasa proveniente de residuos agroindustriales. 

1. ¿Será suficiente los residuos?
2. ¿La calidad de los residuos será muy variable?
3. ¿Los ciclos agroindustriales tendrán efecto en la productividad del producto final y su precio?
4.  ¿El transporte de la de biomasa influirá en el precio? (Figura 3)

Figura 3.- Transporte de biomasa provenientes de residuos agroindustriales

También se necesitarán solventes para extracciones, catalizadores para los reactores del mismo tipo, hidrógeno para hidrogenar las moléculas. Aunque esto aún se esta desarrollando (Figura 4).

Figura 4. La hidrogenación de biomasa aún esta en investigación pero no por eso no se puede aplicar.

Las empresas dedicadas a producir biocombustibles deben aplicar o adaptar lo ya conocido en las plantas petroquímicas para poder bajar los costos de producción de combustibles alternos y  que puedan ser competitivos en el mercado y tener ganancias.

¿Tui que piensas de los retos de las planta químicas para transformar la biomasa?

Fotosíntesis artíficial

A todos en la primaria o en la secundaria nos enseñaron el mecanismo de la fotosíntesis (Figura 1)

Figura 1. Proceso de fotosíntesis en las plantas, interviene el sol.

Figura 2. Reaction de fotosíntesis para producir azucar (energía en forma de un compuesto orgánico) que proviene del CO2 del ambiente y el agua que adsorbe la planta, la luz del sol es necesaria para llevar acabo el proceso

El proceso no es tán sencillo interviene muchos procesos bioquímicos (figura 2)

Figura 2. Proceso de fotosíntesis con reacciones bioquímicas expuestas.

Entonces para reproducir las reacciones de la fotosíntesis se necesita

1. Captar la energía del sol y trasmitirla efectivamente al sistema acuoso - organicos polares (SAOP)
2. Adsober el CO2 y que se disuelva en el SAOP
3. La energía que se captó del sol distribuirla para la reducción del CO2 y que se formen una serie de reacciones electroquímicas para formar protones de (iones hidronios) del agua y de otras moléculas orgánicas polares.
4. Tener eficiencias en  las reacciones aumentando la selectividad de los productos deseados; azúcar y O2 en principio
5. No producir contaminantes o subproductos no deseados

Por lo tanto hay muchos retos científicos y  tecnológicos que se están desarrollando actualmente. Uno de ellos es el desarrollo de fotocalizadores (Figura 3)

Figura 3. Los materiales fotocalizadores son materiales que captan y producen reacciones de reducción y oxidación  como en las que se llevan en la fotosíntesis. 

Otra vez un paso a la vez; luego hablaremos de los reactores para llevar a cabo la fotosíntesis artificial.

Es emocionantes, ¿no crees?

¿Tú que opinas?

¿La ciudad verde, es posible?

Una ciudad verde sería (Figura 1)

1. Cero emisiones de gases invernadero
2. Abasto de agua limpia y a su vez la usada totalmente regenerada
3. No uso de envolturas plásticas o bolsas de polietileno
4. Autosustentable en ropa, comida y diversión para no importar de otras ciudad y gastar combustible
5. Usar energía alternas; solar, eolica y otras.

Figura 1. Una ciudad verde es casi una utopía,,, casi.

Para comenzar sería muy bueno no tener emisiones de gases con efecto invernadero.

Una ciudad con cero emisión de gases con efecto invernadero (metano, dióxido de carbono,  óxidos de nitrógeno orgánicos volátiles, refrigerantes fluorocabonados y otros ), sería bastante deseable. Figura 2  presenta algunos de estos gases.

Figura 2.- Gases con efecto invernadero

 Los gases con efecto invernadero vienen de emisiones de actividades genereadas por los humanos (antropogénicas).
Digamos que la energía de una ciudad viene de quemar carbón para sus plantas generadoras de energía eléctrica, entonces tendríamos una gran emisión de dióxido de carbono. Figura 3 presenta el ciclo de carbono en una planta de energía eléctrica.

Figura 3 Planta de quema de carbón para generar energía eléctrica.

¡Todo ese CO2 generado va a la atmósfera! 

¿Ustedes creerían que una solución sería inyectar ese CO2 en la tierra? (Figura 4)

Figura 4. La captura del CO2 es posible

Esto si posible, Shenshua group de China, ya tiene una planta de quema de carbón y captura el CO2 en kilometros bajo la tierra (Figura 5).

Figura 5. La planta de quema de carbón en la ciudad de Chongqing captura el CO2 emitido.

¡¡Entonces si es posible que tengamos ciudades verdes!!
¿Tú que opinas?

Producir hidrógeno del agua con luz solar

El hidrogeno es un gas que se puede reaccionar con oxígeno (Figura 1) y dar una muy importante cantidad de energía hacia a los alrededores. es una reacción altamente exotérmica.

Figura 1.-La reacción del hidrógeno y el oxígeno produce una gran cantidad de energía hacia los alrededores y su producto es agua.

La reacción da 486 Joules/mol y esta energía se puede usar para calentar agua, (Figura 2) generar vapor de agua y mover una turbina termoeléctrica y generar electricidad.

Figura 2.-La molécula de hidrógeno (H2) y la de oxígeno (O2) deben disociarse para que reaccionen en forma de H y O y se lleve a cabo la reacción

Figura 3 La energía solar puede provocar ese "separación" de H2 y O2 del agua, usando un fotocalizador.

Del agua se puede obtener también el oxígeno y el hidrogeno, y para ello se requerie energía, la radiación solar tiene ese energía si se utiliza un fotocatizador. (Figura 3)

Un fotocatalizador es un material que tiene la capacidad de absorber la energía del sol y generar un par electrón hollo y que se brinque la banda de energía prohibida y esto proceso hace que el agua (H2O) pueda separarse en H2 y O2.

Un fotocalizador natural es el óxido de titanio (TiO2) pero se esta haciendo mucha investigación para producir mas cantidad (flujo) de hidrógeno ya que hasta la fecha solo poquitas burbujitas de hidrógeno (flujo muy bajo) se produce.

Figura 4.- Proceso de producir hidrógeno con energía solar y un fotocalizador (polvo) y en la izquierda superior el proceso de provocar el par electrón (e-) hollo (h+)

Figura 5.- Burbujas de hidrógeno del agua usando la fotocatilisis con energía solar.

Hay esperanza de producir el combustible de hidrógeno con materiales avanzados como los fotocalizadores y la radiación solar.

 Figura 6.- Energía por la combustión del hidrógeno y además usarlo como reactivo para productos químicos como fertilizantes y demás productos.

Tenemos una gran variedad de usos de la energía de la combustión del hidrógeno y muchos más usos. La humanidad tiene un futuro sustentable aquí mismo en la tierra.
¿Tú que piensas?

No usar automóviles

No usemos automóviles, no tendremos emisión de contaminante y gases con efecto invernadero.

La Figura 1 muestra una imagen clásica en nuestra vida los que vivimos en las ciudades.

Figura1. Trafico en las ciudades es igual a concentraciones de emisiones.

Un automóvil anualmente emite 4410 kg de CO2 y consume 1880 litros de combustible convencional, esto es gasolina. El efecto invernadero se reduciría si no usamos autos por un año (Figura 2)

Figura 2. Efecto invernadero

Entonces nos volveríamos una ciudad bicicletera (Figura 3). Haríamos ejercicio, sonreiremos, y tendremos muchos arboles por las ciudades para que nos den sombra y tendremos vías techadas para la lluvia.

Figura 3 Seremos una ciudad bicicletera.

Los autos electrónicos son una solución pero depende como se genere la corriente eléctrica, si es una termoeléctrica , se quema combustible para calentar el vapor y mover las turbinas, pero al menos esta concentrada la emisión y podría ser capturado el CO2 emitido (eso será otro blog).  Elon Musk el inovador de Tesla  Motors propone autos eléctricos actualmente comercialmente. La Figura 4 presenta estos aspectos.

Figura 4a Elon Musk inventor de PayPal y ahora de Tesla Motors

                        Figura 4 b Un auto eléctrico en carga de Tesla Motors

Figura 4 c.- Una termoeléctrica genera electricidad quemando combustible.

El mismo Elon Musk propone el transporte Hyperloop, un tren neumático entre Los Angeles y San Francisco. Para generar una presión de aire se requiere compresores de aire y estos consumen mucha electricidad, volvemos a las termoeléctricas y a la concentración de emisiones y estas deben ser reguladas. La Figura 5 presenta el tren de Hyperloop.

Fiugra 5. EL Hyoerloop dará solución de transporte sin contaminantes de Los Angeles a San Francisco. La contaminación estará en la fuente eléctrica que mueve a los compresores de aire.

¿Tu que piensas, no usarías tu auto por un año?