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 etanol celulósico para usar como biocombustible. Compañías como Iogen, POET, DuPont y Abengoa están construyendo refinerías que pueden procesar biomasa y convertirla en bioetanol. Compañías, como Diversa, Novozymes y Dyadic, están produciendo enzimas que podrían permitir un futuro de 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.

A partir de 2013, las primeras plantas a escala comercial para producir biocombustibles celulósicos han comenzado a operar. Se están utilizando múltiples vías para la conversión de diferentes materias primas de biocombustible. En los próximos años, los datos de costos de estas tecnologías que operan a escala comercial y su rendimiento relativo estarán disponibles. Las lecciones aprendidas disminuirán los costos de los procesos industriales involucrados.

Producción de etanol celulósico.
El etanol celulósico se puede producir a partir de una amplia gama de materias primas, como la pulpa de madera de los árboles o cualquier materia vegetal. En lugar de tomar el grano del trigo y molerlo para obtener almidón y gluten, luego tomar el almidón, la producción de etanol celulósico implica el uso de todo el cultivo. Este enfoque debería aumentar los rendimientos y reducir la huella de carbono debido a que la cantidad de fertilizantes y fungicidas de uso intensivo de energía seguirán siendo los mismos, para una mayor producción de material utilizable.

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 resultaría en una producción suficiente 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.

Comercializacion por pais

Australia
Ethtec está construyendo una planta piloto en Harwood, Nueva Gales del Sur, que utiliza residuos de madera como materia prima.

Brasil
GranBio (anteriormente conocido como GraalBio) está construyendo una instalación proyectada para producir 82 millones de litros de etanol celulósico por año.

Canadá
En Canadá, Iogen Corp. es un desarrollador de tecnología de proceso de etanol celulósico. Iogen ha desarrollado un proceso propio y opera una planta de demostración en Ontario. La instalación ha sido diseñada y diseñada para procesar 40 toneladas de paja de trigo por día en etanol utilizando enzimas fabricadas en una instalación de fabricación de enzimas adyacente. En 2004, Iogen comenzó a entregar sus primeros envíos de etanol celulósico al mercado. En el corto plazo, la compañía pretende comercializar su proceso de etanol celulósico mediante la concesión de licencias de tecnología en general a través de asociaciones de construcción de plantas llave en mano. Actualmente, la compañía está evaluando sitios en los Estados Unidos y Canadá para su primera planta a escala comercial.

Lignol Innovations tiene una planta piloto, que utiliza madera como materia prima, en Vancouver.

En marzo de 2009, KL Energy Corporation de Dakota del Sur y Prairie Green Renewable Energy de Alberta anunciaron su intención de desarrollar una planta de etanol celulósico cerca de la Bahía de Hudson, Saskatchewan. La instalación de energía renovable de Northkest Saskatchewan utilizará el diseño y la ingeniería modernos de KL Energy para producir etanol a partir de desechos de madera.

China
La producción de etanol celulósico existe actualmente a escala «piloto» y «de demostración comercial», incluida una planta en China diseñada por SunOpta Inc. y propiedad y operada por China Resources Alcohol Corporation que actualmente produce etanol celulósico a partir de restos de maíz (tallos y hojas) en Una base continua, 24 horas al día.

Dinamarca
La planta de bioetanol de Inbicon en Kalundborg, con una capacidad para producir 5.4 millones de litros (1.4 millones de galones) al año, se inauguró en 2009. Se cree que es la planta de etanol celulósico más grande del mundo a principios de 2011, la planta opera con aproximadamente 30,000 toneladas métricas (33,000 toneladas) de paja por año y la planta emplea a unas 30 personas. La planta también produce 13,000 toneladas métricas de pellets de lignina por año, que se utilizan como combustible en plantas combinadas de calor y energía, y 11,100 toneladas métricas de melaza C5 que actualmente se usa para la producción de biometano mediante digestión anaeróbica, y se ha probado como Suplemento alimenticio para animales con alto contenido de carbohidratos y materia prima de origen biológico potencial para la producción de numerosos productos químicos básicos, incluidos dioles, glicoles, ácidos orgánicos y precursores e intermediarios de biopolímeros.

Desde octubre de 2010, una mezcla E5 de 95% de gasolina y 5% de etanol celulósico ha estado disponible en 100 estaciones de servicio en toda Dinamarca. Distribuida por Statoil, la mezcla Bio95 2G utiliza etanol derivado de la paja de trigo recolectada en campos daneses después de la cosecha y producida por Inbicon (una división de DONG Energy), utilizando la tecnología de enzimas de Novozymes.

Plantas de etanol celulósicas comerciales o experimentales en Dinamarca (operativas o en construcción)

Alemania
La compañía de biocombustibles Butalco ha firmado recientemente un contrato de investigación y desarrollo con la Universidad de Hohenheim. El Instituto de Tecnología de Fermentación dentro del Departamento de Ciencia de Alimentos y Biotecnología de la Universidad de Hohenheim ha estado preocupado por preguntas sobre la producción de bioetanol durante casi 30 años. El enfoque en los últimos años ha sido la mejora de la evaluación del material, la energía y el ciclo de vida de la producción de etanol. Especial interés para BUTALCO es el uso de la planta piloto de nueva construcción, que está equipada con una sala de fermentación aprobada de clase de seguridad 1 con 4 fermentadores de 1,5 m³. El concepto de la planta permite procesar materias primas a base de almidón y lignocelulósicas. La colaboración permitirá a BUTALCO optimizar su fermentación de azúcar C5 y las cepas de levadura productoras de butanol a escala técnica y producir las primeras cantidades de bioetanol a partir de lignocelulosa. Todo el proceso de producción de biocombustible desde la elección de la materia prima de biomasa celulósica hasta la conversión en azúcares y la fermentación hasta la purificación se optimizará en condiciones industriales.

En Straubing, la compañía de productos químicos especializados Clariant ha estado operando una planta de precomercial basada en su proceso de hidrólisis solar desde 2012. La planta es capaz de producir hasta 1000 toneladas de etanol celulósico a partir de residuos agrícolas como paja de trigo, restos de maíz o bagazo de caña de azúcar. La tecnología de proceso utiliza hidrólisis enzimática, seguida de la fermentación de azúcar C5 y C6 en etanol. La compañía planea licenciar la tecnología a nivel mundial.

India
La producción de etanol celulósico existe actualmente a escala «piloto», con esfuerzos en la utilización de biomasa lignocelulósica residual para la producción de etanol. Se realizaron estudios piloto a escala para la utilización de agujas de pino y malezas de Lantana en la División de Celulosa y Papel, Instituto de Investigación Forestal, Dehradun, India.

Italia
Mossi con sede en Italia & amp; El Grupo Ghisolfi comenzó la construcción de sus 13 millones de galones en EE. UU. (49,000 m3) por año de instalación de etanol celulósico en Crescentino, en el noroeste de Italia, el 12 de abril de 2011. El proyecto será el proyecto de etanol celulósico más grande del mundo, 10 veces más grande que cualquiera de los Instalaciones actualmente operativas a escala de demostración. Se espera que la planta «comience a funcionar en 2012 y utilizará una variedad de materias primas de origen local, comenzando con la paja de trigo y Arundo donax, una caña gigante perenne».

Japón
Nippon Oil Corporation y otros fabricantes japoneses, entre ellos Toyota Motor Corporation, planean establecer un organismo de investigación para desarrollar biocombustibles derivados de la celulosa.El consorcio planea producir 250,000 kilolitros (1.6 millones de barriles) por año de bioetanol para marzo de 2014 y producir bioetanol a 40 yenes ($ 0.437) por litro (alrededor de $ 70 por barril) para 2015.

En marzo de 2009, Honda Motor anunció un acuerdo para la construcción de una nueva planta de investigación de etanol celulósico en Japón. La nueva instalación de Kazusa-sucursal del Centro de Investigación de Tecnología Fundamental de Honda se construirá dentro del Kazusa Akademia Park, en Kisarazu, Chiba. La construcción está programada para comenzar en abril de 2009, con el objetivo de comenzar las operaciones en noviembre de 2009.

Noruega
En octubre de 2010, el desarrollador de tecnología de etanol celulósico con sede en Noruega Weyland comenzó la producción en sus instalaciones a escala piloto de 200,000 litros (aproximadamente 53,000 galones) en Bergen, Noruega. La planta demostrará el proceso de producción de hidrólisis ácida de la compañía, allanando el camino para un proyecto a escala comercial. La compañía también planea comercializar su tecnología en todo el mundo.

Rusia
Una fábrica comercial que convierte madera (50% de madera blanda + 50% de madera dura) en etanol está en operación en el norte de Rusia, la ciudad de Kirov, desde 1972 y aún es rentable.Como productos secundarios, la empresa Kirov Biochemical Works está ofreciendo levadura seca (20 toneladas / mes) y lignina. Para instalar equipo para secar y quemar lignina, tanto fresca como acumulada en el relleno, para vapor y electricidad, recientemente se obtuvo un préstamo bancario de $ 200 millones.

España
Abengoa continúa invirtiendo fuertemente en la tecnología necesaria para llevar el etanol celulósico al mercado. Utilizando tecnología de proceso y tratamiento previo de SunOpta Inc., Abengoa está construyendo una planta de etanol celulósico de 5 millones de galones (19,000 m3) en España y recientemente ha firmado un acuerdo estratégico de investigación y desarrollo con Dyadic International, Inc. (AMEX: DIL ), para crear nuevas y mejores mezclas de enzimas que pueden usarse para mejorar tanto la eficiencia como la estructura de costos de la producción de etanol celulósico.

Suecia
SEKAB ha desarrollado un proceso industrial para la producción de etanol a partir de las reservas de biomasa, incluidas las astillas de madera y el bagazo de caña de azúcar. El trabajo de desarrollo se está llevando a cabo en una planta piloto avanzada en Örnsköldsvik, y ha despertado el interés internacional. La tecnología se ampliará gradualmente a la producción comercial en una nueva generación de bio-refinerías de 2013 a 2015.

Estados Unidos
El gobierno de los Estados Unidos apoya activamente el desarrollo y la comercialización del etanol celulósico a través de una variedad de mecanismos. En la primera década del siglo XXI, muchas compañías anunciaron planes para construir plantas comerciales de etanol celulósico, pero la mayoría de esos planes eventualmente se derrumbaron y muchas de las pequeñas empresas quebraron. Actualmente (2016), aquí hay muchas plantas de demostración en todo el país, y un puñado de plantas a escala comercial que están en operación o cerca de él. Dado que se prevé que el mercado del etanol celulósico en los Estados Unidos continuará creciendo en los próximos años, las perspectivas para esta industria son buenas.

Apoyo del gobierno
El gobierno federal de los Estados Unidos está promoviendo activamente el desarrollo de etanol a partir de materias primas celulósicas como una alternativa a los combustibles convencionales para el transporte de petróleo. Por ejemplo, los programas patrocinados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés) incluyen investigaciones para desarrollar mejores enzimas de hidrólisis de celulosa y organismos fermentadores de etanol, para estudios de ingeniería de procesos potenciales, para cofinanciar el etanol inicial de las instalaciones de demostración y producción de biomasa celulósica. Esta investigación es realizada por varios laboratorios nacionales, incluido el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) y el Laboratorio Nacional de Idaho (INL), así como por universidades y la industria privada. Las empresas de ingeniería y construcción y las empresas operadoras generalmente están realizando el trabajo de ingeniería.

En mayo de 2008, el Congreso aprobó una nueva ley agrícola que acelerará la comercialización de biocombustibles avanzados, incluido el etanol celulósico. La Ley de Alimentos, Conservación y Energía de 2008 prevé subvenciones que cubren hasta el 30% del costo de desarrollo y construcción de biorrefinerías a escala de demostración para producir «biocombustibles avanzados», que incluyen esencialmente todos los combustibles que no se producen a partir del almidón de grano de maíz. También permite garantías de préstamos de hasta $ 250 millones para la construcción de biorrefinerías a escala comercial para producir biocombustibles avanzados.

Usando una herramienta recientemente desarrollada conocida como el «Modelo de Despliegue de Biocombustibles», los investigadores de Sandia han determinado que para 2022 se podrían producir 21 mil millones de galones estadounidenses (79,000,000 m3) de etanol celulósico al año sin desplazar los cultivos actuales. El Estándar de combustibles renovables, parte de la Ley de seguridad e independencia energética de 2007, exige un aumento en la producción de biocombustibles a 36 mil millones de galones de EE. UU. (140,000,000 m3) por año para 2022.

En enero de 2011, el USDA aprobó $ 405 millones en garantías de préstamos a través de la Ley Agrícola de 2008 para respaldar la comercialización de etanol celulósico en tres instalaciones propiedad de Coskata, Enerkem e INEOS New Planet BioEnergy. Los proyectos representan una capacidad de producción combinada de 73 millones de galones estadounidenses (280,000 m3) por año y comenzarán a producir etanol celulósico en 2012. El USDA también publicó una lista de productores de biocombustibles avanzados que recibirán pagos para ampliar la producción de biocombustibles avanzados. En julio de 2011, el Departamento de Energía de EE. UU. Otorgó $ 105 millones en garantías de préstamos a POET para una planta a escala comercial que se construirá en Emmetsburg, Iowa.

Desarrollo comercial
La industria del etanol celulósico en los Estados Unidos desarrolló algunas nuevas plantas a escala comercial en 2008. Las plantas que totalizan 12 millones de litros (3.17 millones de galones) por año estaban operativas, y un adicional de 80 millones de litros (21.13 millones de galones) por año de capacidad. En 26 nuevas plantas – estaba en construcción. (En comparación, el consumo estimado de petróleo en los EE. UU. Para todos los usos fue de aproximadamente 816 millones de galones por día en 2008.)

Plantas de etanol celulósico en los Estados Unidos (operativas o en construcción)

Cuestiones ambientales
El etanol celulósico y el etanol a base de grano son, de hecho, el mismo producto, pero muchos científicos creen que la producción de etanol celulósico tiene claras ventajas ambientales sobre la producción de etanol a base de grano. En el ciclo de vida, el etanol producido a partir de residuos agrícolas o cultivos celulósicos dedicados tiene emisiones de gases de efecto invernadero significativamente más bajas y una calificación de sostenibilidad más alta que el etanol producido a partir de granos.

Según los estudios del Departamento de Energía de EE. UU. Realizados por el Laboratorio Nacional de Argonne de la Universidad de Chicago, el etanol celulósico 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 generalmente utiliza gas natural para proporcionar energía para el proceso, reduce las emisiones de gases de efecto invernadero entre un 18% y un 29% con respecto a la gasolina.

Críticos como el profesor de ecología y agricultura de la Universidad de Cornell, David Pimentel, y el ingeniero de la Universidad de California en Berkeley, Tad Patzek, cuestionan la probabilidad de beneficios ambientales, energéticos o económicos de la tecnología de etanol celulósico a partir de residuos.