En un mundo donde la necesidad de energía sostenible y limpia es más urgente que nunca, los biocombustibles derivados de algas se destacan como una solución prometedora. Los biocombustibles a base de algas representan una alternativa viable a los combustibles fósiles tradicionales, ofreciendo una fuente de energía renovable y ecológica.
Los biocombustibles de tercera generación a partir de biomasa a base de algas tienen importantes ventajas respecto a los biocombustibles de primera y segunda generación debido a su accesibilidad y versatilidad (Muthuraman y Kasianantham, 2023); y en la última década se han realizado importantes avances científicos para convertir a los biocombustibles de algas en una alternativa importante y viable a los combustibles fósiles.
Este artículo explora en profundidad qué son los biocombustibles de algas, cómo se producen, sus beneficios y desafíos, así como su impacto potencial en el futuro energético global.
¿Qué son los Biocombustibles de Algas?
Los biocombustibles de algas, también conocidos como biocombustibles de tercera generación, se producen a partir de diversas especies de algas (incluido las microalgas y las macroalgas) que pueden cultivarse en agua dulce, salada o salobre, en sistemas de cultivo cerrados (fotobiorreactores), abiertos (estanques) o híbridos.
Las algas convierten la energía solar en biomasa a través de la fotosíntesis, y esta biomasa se puede procesar para producir diferentes tipos de biocombustibles, como biodiésel, bioetanol, biohidrógeno, biobutanol y biogás.
Por su parte, Sarwan et al., (2024) define a los biocombustibles como: “la fuente de energía derivada de células vivas mediante la degradación de biomasa lignocelulósica o celulósica para producir etanol y diésel”, mientras que “los combustibles que se generan con la ayuda de microorganismos mediante fermentación se denominan bioetanol y biodiesel”.
Biocombustibles basados en algas
El término «Biocombustibles basados en algas” (algae based biofuel) se refiere a cualquier biocombustible derivado de la biomasa de algas. Estos combustibles pueden ser líquidos, como el biobutanol, el biodiésel, el bioetanol y el biohidrógeno (Mahmood et al., 2023), o gaseosos, como el biogás.
La capacidad de las microalgas para crecer rápidamente con la fotosíntesis, el dióxido de carbono y los nutrientes las convierte en fuentes ideales de biocombustibles (Neeti et al., 2023). Esto sumado a una eficiencia de conversión energética superior a muchas otras fuentes de biomasa, las convierte en una opción atractiva para la producción de biocombustibles.
Producción de Biocombustibles de Algas
La producción de biocombustibles de algas implica varios pasos clave, desde el cultivo de las algas hasta la conversión de la biomasa en combustible. A continuación, describimos de forma general los principales procesos involucrados:
- Cultivo de Algas: Las algas se cultivan en estanques abiertos o en fotobiorreactores cerrados. Los fotobiorreactores permiten un control más preciso de las condiciones de crecimiento y pueden aumentar la productividad.
- Cosecha y Secado: Una vez que las algas han crecido lo suficiente, se cosechan y se secan para reducir el contenido de agua. Este paso es crucial para aumentar la eficiencia de la extracción de lípidos.
- Extracción de Lípidos: Los lípidos, que son grasas contenidas en las algas, se extraen utilizando solventes químicos o métodos mecánicos. Estos lípidos son la materia prima para la producción de biodiésel.
- Conversión a Biocombustibles: Los lípidos extraídos se convierten en biodiésel a través de un proceso químico llamado transesterificación. Otros métodos pueden incluir la fermentación para producir bioetanol o la digestión anaeróbica para producir biogás.
Mahmood et al., (2023) y Muthuraman y Kasianantham (2023) presentan descripciones detalladas del proceso de producción de diferentes tipos de biocombustibles.
Granjas para la producción de biocombustibles de algas
Las granjas de biocombustibles de algas son instalaciones dedicadas al cultivo de algas a gran escala para la producción de biocombustibles. Estas granjas pueden variar en tamaño y diseño, pero generalmente incluyen sistemas de cultivo de algas, instalaciones de cosecha y procesamiento, y unidades de conversión de biomasa en biocombustibles. Las granjas de algas pueden ubicarse en áreas costeras, desiertos o incluso en terrenos no aptos para la agricultura convencional, lo que las convierte en una solución flexible y sostenible.
Beneficios de los biocombustibles de tercera generación
Los biocombustibles de algas ofrecen numerosos beneficios ambientales, económicos y sociales:
- Reducción de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero: Los biocombustibles de algas pueden reducir significativamente las emisiones de CO2 en comparación con los combustibles fósiles. Durante su crecimiento, las algas absorben CO2, lo que ayuda a mitigar el cambio climático. Mehta et al.,( 2023) destaca que la producción de recursos bioenergéticos a partir de microalgas tiene la capacidad de reducir la cantidad de emisiones de GEI entre un 4% y un 5%.
- Sostenibilidad: Las algas pueden crecer en condiciones adversas y no compiten con cultivos alimentarios, lo que las hace una fuente de biomasa sostenible. Además, pueden cultivarse utilizando agua salada o residual, lo que reduce la presión sobre los recursos de agua dulce.
- Alto Rendimiento: Las algas tienen un rendimiento por hectárea mucho mayor que otros cultivos de biocombustibles. Pueden producir hasta 30 veces más energía por unidad de superficie que los cultivos terrestres. Asimismo, las algas tienen una máxima eficiencia en el uso de la luz y producen entre 2 y 15 veces más lípidos en comparación con otros cultivos de semillas oleaginosas, como por ejemplo: soja y colza (Mehta et al., 2023).
- Diversificación Energética: Los biocombustibles de algas contribuyen a la diversificación de la matriz energética, reduciendo la dependencia de los combustibles fósiles y mejorando la seguridad energética.
- Menos uso de la tierra: Las algas se pueden cultivar en tierras no cultivables, como estanques de agua salada o instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Esto significa que no compiten con los cultivos alimentarios por la tierra, lo que constituye otra gran ventaja.
- Potencial de producción durante todo el año: Las algas se pueden cultivar durante todo el año, independientemente del clima. Esto significa que pueden proporcionar una fuente fiable de energía, incluso en zonas con climas duros.
- Biorremediación: Las aguas se pueden cultivar en efluentes acuícolas o domésticos. Al respecto, Raven et al., (2023) y Buzek (2024) reporta que los efluentes municipales, e industriales, pueden servir como fuente de nutrientes para el cultivo de algas para la producción de biocombustibles. Por su parte, Merino et al., (2024) destacó el potencial de emplear lodos, producto de la eutrofización una bahía, para la producción de la microalga Scenedesmus acutus con fines de producción de biocombustibles.
Desafíos de los Biocombustibles de Algas
A pesar de sus numerosos beneficios, los biocombustibles de algas también enfrentan varios desafíos:
Costos de Producción
La producción de biocombustibles de algas sigue siendo costosa debido a los altos costos de cultivo, cosecha y procesamiento. Es necesario desarrollar tecnologías más eficientes y rentables para reducir estos costos. Maroušek et al., (2022) las barreras tecnológicas para ampliar la producción de algas a escala comercial hacen que el precio hipotético del biodiesel de algas esté lejos de ser competitivo (292 €/100 km) comparado con los combustibles fósiles convencionales (15,6 €/100 km); mientras que Quiroz et al., (2023) identificó el potencial óptimo de productividad global, los impactos ambientales y la viabilidad económica de los biocombustibles de algas (Scenedesmus obliquus) mediante el uso de modelos biofísicos y de sostenibilidad validados, y concluyó que mediante el análisis tecnoeconómico que precios mínimos de biocombustibles de algas de $1.89–$2.15 por litro de equivalente de gasolina son posibles en el sudeste de Asia y Venezuela.
Sin embargo, como concluye Maroušek et al., (2023) la mayor parte de la investigación sobre biodiesel de microalgas arroja presunciones económicamente demasiado optimistas porque se ha basado en experimentos a escala de laboratorio.
Escalabilidad
Aunque las algas pueden producir altos rendimientos, escalarlas a niveles industriales presenta desafíos técnicos y económicos significativos. Se requieren inversiones sustanciales en infraestructura y tecnología. Es importante destacar que la composición bioquímica de la biomasa de algas (incluido el contenido de humedad, lípidos, carbohidratos, proteínas, concentración de cenizas y porcentaje de lignina) impacta directamente en la generación de bioenergía (El-Sheekh et al., 2024).
Impacto Ambiental
La producción a gran escala de algas puede tener impactos ambientales, como la eutrofización de cuerpos de agua debido al uso de fertilizantes. Es crucial implementar prácticas sostenibles y regulaciones adecuadas para mitigar estos efectos.
Rendimiento de los motores
Diversos estudios han destacado que el biodiesel conduce a un rendimiento deficiente del motor debido a su bajo poder calorífico y su alta viscosidad; Sin embargo, reporta que la Meraz et al., (2023) la inclusión de nanoaditivos con mezclas de biodiésel de algas mejora el rendimiento del motor, las características de combustión, el poder calorífico.
Química de los Biocombustibles de Algas
La química de los biocombustibles de algas es compleja e implica varias reacciones químicas para convertir la biomasa en combustibles utilizables. A continuación, se describen algunos aspectos clave de la química de los biocombustibles de algas:
- Fotosíntesis: Las algas utilizan la fotosíntesis para convertir la luz solar en biomasa, produciendo oxígeno y glucosa. Esta biomasa es rica en lípidos, carbohidratos y proteínas.
- Extracción de Lípidos: Los lípidos se extraen de la biomasa de algas utilizando métodos físicos o químicos. Los lípidos extraídos son principalmente triglicéridos, que pueden convertirse en biodiésel.
- Transesterificación: Este proceso químico convierte los triglicéridos en biodiésel y glicerol mediante la reacción con un alcohol, generalmente metanol, en presencia de un catalizador.
- Fermentación: Los carbohidratos presentes en la biomasa de algas pueden fermentarse para producir bioetanol, que puede utilizarse como combustible para motores de combustión interna.
Una descripción más detallada de la química de los biocombustibles de algas lo puedes encontrar en el trabajo de Alazaiza et al., (2023). Asimismo, los científicos de la RUDN University evaluaron el proceso más eficiente de obtener biocombustibles de las algas.
Usos de los Biocombustibles de Algas
Los biocombustibles de algas tienen una amplia gama de aplicaciones, tanto en el sector del transporte como en la generación de energía:
- Transporte: El biodiésel y el bioetanol derivados de algas pueden utilizarse en vehículos sin necesidad de modificaciones significativas. Estos combustibles pueden mezclarse con combustibles fósiles o utilizarse directamente en motores adaptados.
- Generación de Energía: El biogás producido a partir de algas puede utilizarse para generar electricidad y calor. Las plantas de energía que utilizan biogás pueden integrarse en redes energéticas existentes, proporcionando una fuente de energía renovable y fiable.
- Productos Químicos: Además de los combustibles, las algas pueden utilizarse para producir una variedad de productos químicos, incluidos plásticos biodegradables, fertilizantes y productos farmacéuticos. Esto añade valor a la biomasa de algas y diversifica las oportunidades de mercado.
Futuro de los biocombustibles de tercera generación
El futuro de los biocombustibles de algas depende de la superación de los desafíos técnicos y económicos actuales. Con el apoyo de políticas gubernamentales, inversiones en investigación y desarrollo, y la implementación de tecnologías avanzadas, los biocombustibles de algas tienen el potencial de desempeñar un papel crucial en la transición hacia una economía energética más sostenible.
Moriarty & Honnery (2024) esperan que continúe el progreso técnico en la producción de biocombustibles basados en las algas, tanto en la selección de cepas de algas como en la tecnología de producción; sin embargo, advierten los investigadores, la dificultad para la previsión de la energía de las algas es que se deben anticipar tasas de progreso similares para otras tecnologías competidoras de energías renovables, especialmente las células fotovoltaicas y quizás la fotólisis.
Por otro lado, Wołejko et al., (2023) recomienda que las investigaciones en el futuro deberían centrarse en maximizar el rendimiento y la calidad de los biocombustibles derivados de algas y al mismo tiempo aumentar su viabilidad económica; mientras que Coşgun et al., (2023) destaca el potencial que tiene el aprendizaje automático (Inteligencia Artificial) en la producción de biocombustibles de tercera generación, principalmente en las etapas de la detección y selección de cepas adecuadas.
Conclusión
Las algas podrían desempeñar un papel clave en la resolución del conflicto entre la producción de alimentos y la producción de biocombustibles (Mahmood et al., 2023). Los biocombustibles de algas, o combustibles de tercera generación, representan una solución innovadora y sostenible para los desafíos energéticos del siglo XXI. Aunque enfrentan varios desafíos, sus beneficios ambientales, económicos y sociales los convierten en una alternativa prometedora a los combustibles fósiles. A medida que la tecnología avanza y los costos de producción disminuyen, es probable que veamos una adopción más amplia de los biocombustibles de algas, contribuyendo a un futuro energético más limpio y sostenible.
Referencias
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