Biocombustibles a partir de algas. Revisión de la tecnología

En uno de los primeros artículos del blog, hablábamos sobre las posibilidades de las algas para producir biocombustibles. Y aunque han pasado tan solo unos meses, el desarrollo de esta tecnología ha sido suficiente como para aconsejar escribir un nuevo artículo, esta vez más extenso, sobre lo que puede esperarse en el futuro de tan interesante opción energética.

La popularidad de las algas como alternativa para la producción de biocombustibles se fundamenta en gran medida en que su cultivo requiere muy pocos nutrientes, y la densidad de la biomasa de las algas secas supera en gran medida a la de los cultivos en tierra. En maíz, por ejemplo, la producción obtenida es del orden de 9,2 toneladas/hectáreas, y la caña de azúcar es de 22,14. Sin embargo, la producción de alga seca de algas en Alemania es de 150 ton/hectáreas, y si las cultivamos en el Sahara, la producción puede ascender a 470 ton/hectáreas. En las algas la producción está muy ligada a la disponibilidad de luz, por que los países más próximos al ecuador presentan las condiciones más adecuadas. La necesidad de tierra para su cultivo es por tanto pequeña, y las algas tienen también la capacidad de fijar directamente el dióxido de carbono liberado de la producción de energía a partir de combustibles fósiles.

Los proyectos demostrativos de la producción de biodiesel con algas se han desarrollado especialmente en los estados sureños de USA, aunque hay iniciativas en otras partes del mundo. La investigación sobre este potencial con las algas no es nuevo, ya entre 1978 y 1996, el Departamento de Energía de los Estados Unidos proporcionó fondos para un programa cuyo objetivo era desarrollar combustibles para el transporte a partir de algas, era el denominado "Aquatic Species Program". Un dossier de 328 páginas con el contenido de todo el programa puede obtenerse aquí. Los investigadores del programa alcanzaron un desarrollo significativo en la comprensión del metabolismo de las diferentes especies de algas, y los medios para cultivar algas a gran escala, de manera que pudiera ser factible la producción de combustibles a escala industrial. También se creó con ese programa una base de datos sobre las cantidades de lípidos que producían las especies de algas más comunes. Se trata de una valiosa información que desde ese su creación empezó a ser utilizada por entidades como Algal Biomas Organization.

Los estudios pioneros del DOE sirvieron de base para la producción de biodiesel con tecnologías que comenzaron a desarrollarse posteriormente. Repasemos las más importantes:

• Fotobiorreactores: Con esta denominación, u otras equivalentes, se concentraron esfuerzos para el desarrollo de fotobiorreactores para el crecimiento de las algas. Estos sistemas tienen como ventaja que se evita la contaminación no controlada del medio de crecimiento, y que ocupan poco espacio a nivel del suelo. Los desarrollos llevados a cabo en Japón, por ejemplo, contemplaban una red de fibra óptica para llevar la luz a los lugares más profundos del biorreactor.
• Producción de algas realzada: Varios programas se centraron en potenciar el desarrollo de las algas. Seambiotics, por ejemplo, fue uno de los primeros en emplear gases procedentes del humo de los residuos para alimentar algas. Una de las especies utilizadas por Seambiotics es Dunaliella, un alga de agua salada que ha sido objeto de estudios de bioprocesos en Israel durante décadas. Los israelitas, planificaron una granja de 500 hectáreas en el desierto del Sinaí para competir con sus vecinos productores de petróleo.
• Esquema de cultivo: La producción de algas de cápsulas de caroteno-β por el mercado nutracéutico japonés en la planta de NBT subraya el desarrollo de Seambiotic. La compañía ideó un sistema d fabricación que incluye un suplemento para las algas: suplementos adicionales de CO₂ a partir de gas licuado.
• Rango de estaciones de crecimiento: Las pruebas llevadas a cabo en la planta piloto de Ashkelon (Israel) en los últimos años han estudiado el rango de tolerancias de las diferentes especies de algas. Mediante ensayos de crecimiento a gran escala se calcularon las producciones anuales. Hasta la fecha, los investigadores israelitas no emplearon la manipulación genética para alterar la producción de algas.
• Cosecha de algas: La cosecha de las algas la determina la variación en la productividad a lo largo del año. El nivel de cosecha en los contenedores es aproximadamente de 1-100 %, siendo el objetivo extraer 20 g de biomasa seca por cada m² de superficie de contenedor por día. El contenido en lípidos es del 35 %. En promedio, una planta de generación de energía eléctrica libera al día 10.000 toneladas de CO₂, mientras que las algas marinas consumen 3 toneladas de CO₂ para producir cada tonelada de biomasa de algas.
• Inversión en reactores: El problema de las algas es el coste de la inversión en fotobiorreactores que son necesarios en climas relativamente fríos como Alemania, y el esfuerzo que se requiere para producir las algas y finalmente obtener biodiesel. Aún no está demostrado que estas instalaciones tengan un balance energético positivo. La principal dificultad se debe a la baja densidad de energía que llega a la superficie de la tierra combinada con el esfuerzo de capturarla por medios técnicos. Hay propuestas alternativas para el cultivo de algas, para lo que se utilizarán los denominados depósitos oscuros profundos (DDT), y utilizar como alimento materia orgánica, especialmente azúcares derivados de biomasa celulósica. En esta alternativa no se requiere ni luz ni CO₂. Los productos obtenidos con esta tecnología son biodiesel y alimento para animales. La ventaja de la misma es que los carbohidratos de bajo valor, pueden convertirse en proteínas de mayor valor y combustible usando procesos agrícolas o industriales a bajo coste. La desventaja es que uno no puede beneficiarse de la alta eficiencia en fotosíntesis de las algas.
• Valor certificado de CO₂: Aunque no es posible tomar CO₂ de fuentes específicas para la tecnología DDT, una misma cantidad de biomasa está ligada a la misma cantidad de CO₂. De esta forma el valor certificado de CO₂ puede obtenerse en todos los escenarios, y esto es importante por consideraciones políticas. Asumiendo que cada tonelada de biomasa de algas requiere tomar dos o más toneladas de CO₂, el valor de captura de CO₂ puede ser de 50€ por tonelada, lo cual añade una reducción del 20 % al combustible final producido.
• Productos secundarios: Los productos secundarios de la producción de alga son alimento para animales y humanos, donde hay que destacar el valor relativamente alto en proteínas en las algas y el relativamente bajo valor alimenticio de los lípidos y carbohidratos utilizados como combustible. El alimento para ganado es el factor más importante al plantear el procesado de algas.
• Combustible aeroespacial: Los lípidos extraídos de las algas son de especial interés para la industria aeroespacial. National Renewable Energy Laboratory ha determinado que los lípidos de las algas, son una excelente fuente para obtener combustibles para el sector aeroespacial. De hecho, Boeing ya ha llevado a cabo una iniciativa multidisciplinar para promover el desarrollo de biocombustibles a partir de altas.

Bibliografía complementaria: Developments in biofuels production from algal biomass. Biofuel technology Q4 2008.

Palabras clave: Photobioreactor, deep dark tanks (DDT)