Son las algas el biocombustible del futuro?

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Bill Gates. Fuente: Forbes.

Durante la Conferencia Internacional sobre el Cambio Climático en París (2015), Bill Gates anunció la creación de una coalición de inversores para impulsar nuevas tecnologías que nos lleven a un futuro (casi) sin emisiones de gases “invernadero”.

La lista de fundadores aparece en la web Breakthrough Energy Coallition, con Richard Branson (Virgin), Jeff Bezos (Amazon), Mark Zuckerberg (Facebook) y Meg Whitman (Hewlett-Packard) entre otros mecenas (George Soros o el príncipe saudí Alwaleed bin Talal).

Mr. Gates y sus colegas filántropos quieren financiar ideas nuevas y arriesgadas, pero ojo!, apoyadas por iniciativas públicas de ciencia. Tanto es así que sus inversiones irán a gobiernos “visionarios” comprometidos a incrementar su investigación dentro del consorcio Mission Innovation creado también en París. Son 20 países; busquen el suyo en la gráfica y enhorabuena si lo encuentran (el mío no está).

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En azul (y a la izquierda con nombre y banderita) están los países participantes en Mission Innovation, incluyendo a Suecia, Emiratos Árabes Unidos, Reino Unido y EEUU.

Breakthrough Energy Coallition invertirá en sectores como la generación de electricidad, transporte, industria, agricultura y eficiencia de los sistemas de energía. Entre las tecnologías que más les interesan está la fotosíntesis artificial para obtener hidrógeno a partir del agua. También financiarán el desarrollo de sistemas de almacenamiento y transmisión de la energía.

Pero un artículo reciente de Biofuels Digest (30-XII-2015) se lamenta de que no les interesen los biocombustibles. Las biorrefinerías no gozan de entusiasmo por parte de las petroleras y apenas hay incentivos para proyectos a escala comercial.

En los últimos años ha cobrado mayor interés la investigación sobre biocombustibles a partir de algas, pero ¿es rentable a nivel comercial? ¿pueden servir para combatir el cambio climático? la respuesta es no y su posible impacto en el futuro será limitado. Para ilustrar el problema les propongo esta imagen.

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Bateas en la ría de Pontevedra. Autor: el mismo del blog.

Cultivar mejillón sale a cuenta. Engordan en el medio natural con alimento gratuito y abundante. No necesitan procesado, sólo una estancia en la depuradora, y las instalaciones ya ven como son. Bajo el agua puede haber unas 500 cuerdas y 10.000 mejillones en cada una. La parte negativa son las biotoxinas, pero a pesar de las pérdidas (a veces cuantiosas) y costes de explotación, el sector genera beneficios y puestos de trabajo importantes para la región en la que vivo.

Cultivar microalgas para biocombustibles es justo lo contrario. Costes elevados por culpa de instalaciones complejas para mantener en tierra lo que vive en el mar o en agua dulce. Las algas deben ser procesadas para extraer los compuestos de interés. El mercado no entiende de energías limpias sólo de rentabilidad y hoy por hoy los biocombustibles de algas no lo son. Por ello muchas empresas han mudado su interés a la nutracéutica (“nutrición” + “farmacéutico”) buscando una salida más rentable.

Aún así, el interés en obtener biocombustibles a partir de las algas sigue ahí…

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Realizado por estudiantes del Smithtown HS East (St. James, NY, EEUU). Fuente: Energy.gov

Las microalgas poseen altas tasas de crecimiento y convierten energía solar en energía química con una eficiencia 10-50 veces mayor que las plantas terrestres.

Acumulan grandes cantidades de lípidos y azúcares que pueden servir para la producción de biodiésel y bioetanol. Evitan el dilema de “comida o combustible” que plantean los cultivos terrestres (maíz, trigo, cebada, etc), además de ocupar menor superficie que éstos. Entre las especies más prometedoras destacan Botryococcus braunii, Chlorella protothecoides y Chlorella vulgaris.

Luego están los beneficios ambientales: bio-mitigación del CO2, por ejemplo. Podríamos cultivarlas con aguas residuales y aire contaminado rico en CO2 de actividades industriales.

El biodiésel es biodegradable y produce también menores emisiones de gases invernadero que los combustibles de origen fósil. Todo sea dicho de paso, el petróleo y el gas natural proceden en su mayoría del plancton (vegetal y animal).

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Botryococcus brauni. Fuente: http://protist.i.hosei.ac.jp/

La demanda energética mundial es enorme y los biocombustibles de algas tendrían un impacto ambiental positivo pero muy limitado.

La AIE (Agencia Internacional de la Energía) estima que el 1.3% de la energía consumida en el mundo procede de biocombustibles como el etanol, metanol y biodiésel. Para satisfacer el 1.5% de la demanda mundial tendríamos que producir 34.000 millones de litros !!! y conseguir la biomasa de algas necesaria consumiría ∼5 millones de toneladas de fosfatos y otras tantas de amonio. Una barbaridad.

Para que se hagan una idea: la producción mundial de fosfatos es de 60 millones de toneladas y 180 la de amonio. La industria química productora de fertilizantes consume grandes cantidades de energía y en EEUU la mayor fuente de emisiones de CO2 industrial procede de la producción de amonio. Así que desnudamos a un santo para vestir a otro…

Hay que desarrollar métodos sostenibles a largo plazo para la producción masiva de algas. Las aguas residuales son uno de ellos: no sirven para los cultivos terrestres ya que filtran al suelo provocando contaminación y eutrofización por su alta concentración de nutrientes. El problema es que son una fuente de bacterias y virus y no podemos controlar los nutrientes. El reciclado de nutrientes es imprescindible para reducir costos y aumentar la eficiencia en el cultivo intensivo de microalgas.

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Sistema abierto tipo “Raceway” (Chennai, India). Fuente: Aban

El tipo de instalaciones para cultivarlas es importante: ¿sistemas abiertos ó cerrados? los abiertos son los más utilizados. Consumen menos energía pero sufren mayor contaminación tanto biológica como por deposición de partículas que pueden reducir la producción, por no hablar del problema de la evaporación.

Los sistemas cerrados, tubos verticales con aireación, controlan mejor el crecimiento de los cultivos y la producción de biomasa pero pueden consumir hasta un 350% más de energía que los sistemas abiertos. Por eso se trabaja en nuevos diseños que rebajen esos costes. Aún así, la energía que consume la instalación procede de combustibles fósiles a no ser que la acoplemos a industrias cercanas para aprovechar las emisiones de gases, paneles solares, energía eólica ó biomasa terrestre…

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La mayor biorrefinería de Europa está en Porto Santo (Madeira, Portugal). La explotan una empresa española, Buggypower, en colaboración con Electricidade da Madeira. Fuente: Buggypower

Se vende la idea de que el cultivo de microalgas puede ser neutral en términos de carbono dado que su cultivo consume CO2. Los géneros Chlorella, Scenedesmus y Botryococcus braunii están entre los más prometedores para la bio-mitigación de emisiones de CO2.

Sin embargo, la baja concentración de este gas en el aire y su pobre transferencia en agua hacen necesario bombear aire para que llegue a las algas. Esto aumenta costos, el gasto de energía y la emisión de CO2. El uso de gases industriales es una opción, ya que pueden contener 400 veces más CO2 y serviría para purificar el aire a la vez que producimos biocombustible. However, la presencia de ácidos y la temperatura de dichos gases son un problema para las algas…

Pongamos que todo va bien y crecen como locas. Cuando alcanzan la fase estacionaria de crecimiento hay que separarlas del agua y recuperar la biomasa para continuar el proceso. El cosechado es costoso y todo un reto debido a su pequeño tamaño. La electro-coagulación (aplicar cargas eléctricas para agregar y sedimentar las partículas; se usa en tratamiento de aguas residuales) es uno de los más prometedores según el NAABB (National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts, EEUU).

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Comparación de la superficie necesaria para cultivos terrestres y microalgas. Fuente: Energy.gov

A diferencia de las plantas terrestres, las algas hay que secarlas porque la presencia de agua inhibe varios procesos necesarios para la extracción de lípidos de los que obtenemos el biodiésel. Secarlas al sol es lo más sencillo pero no siempre es posible y otros métodos tienen el problema (otra vez) del consumo de energía. Eso sí, existen alternativas que permiten procesar las algas sin secarlas, con nombres tan extraños como la licuefacción hidrotermal.

Vale, ya tenemos el biodiésel. Aunque para mejorar la rentabilidad es necesario conseguir otros compuestos con valor añadido, como el bioetanol, a partir de la biomasa restante tras extraer los lípidos. Las microalgas ofrecen una ventaja frente a las plantas terrestres: al no poseer lignina ni hemicelulosa para soporte de sus estructuras se evitan procesados químicos y enzimáticos que simplifican la producción de bioetanol.

En realidad, muchas empresas han mudado sus intereses de los biocombustibles a la nutracéutica (o una combinación de ambos) bucando mayor rentabilidad. Las algas poseen compuestos con interés nutricional y farmacéutico como ácidos grasos poliinsaturados (EPA, PUFA, DHA), vitaminas, aminoácidos esenciales, minerales, pigmentos (ficobilinas, carotenoides, etc). Son los famosos alimentos funcionales, un negocio presente y futuro…

En resumen: la producción de biocombustibles de algas por sí sola no es viable a escala comercial debido a los costes energéticos en comparación a los cultivos terrestres.

Aparte de los avances tecnológicos, el desarrollo de algas modificadas genéticamente para crecer en presencia de contaminantes (tanto en el agua como en el aire) y con un mayor rendimiento de lípidos, es una de las claves para que la producción de biocombustibles sea rentable en el futuro y un beneficio tanto para el medioambiente como las personas.

Volviendo al principio, citando a Bill Gates y sus amigos de Breakthrough Energy Coallition: “Technology will help solve our energy issues”.

Referencias:

-Biofuels Digest: Why Advanced Renewable Fuels Will Not Play A Significant Role In Meeting Climate Change Goals por Tim Sklar (30-XII-2015), Algae fuels, the Earth Room Problem, and Osmotic Shock Around the Clock por Jim Lane (26-VIII-2015), Where are we with algae biofuels? Parte I y II por Jim Lane (13 y 14-X-2014).
-Lam MK & Lee KT. Microalgae biofuels: A critical review of issues, problems and the way forward. Biotechnol. Adv. 30:673-690 (2012).
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