Biocombustibles en la Aviación

Biocombustible

BIOCOMBUSTIBLES EN LA AVIACIÓN

Arroyabe Daniel, Gómez Alejandro, Rodas Allison, Viana Esteban 3 de Noviembre del 2015

Resumen: El uso de combustibles alternativos para generación de energía y remplazo de los combustibles fósiles es inminente, por lo que la industria aeronáutica no se puede quedar atrás con el avance tecnológico y en su operación frente a la transición que está en marcha. Este documento expone los avances que hace la industria aeronáutica en búsqueda de la aplicación de estos nuevos combustibles en sus flotas, al igual que se tratan los pros y contras de su implementación y se muestra los avances que se han hecho y los que se esperan en un futuro cercano.

INTRODUCCIÓN La aviación comercial es un negocio global que comprende alrededor de 16,000 aeronaves en operación, que transporta al año 2.200 millones de pasajeros. Esta industria es responsable de contribuir entre el 2 y 3% de las emisiones globales de dióxido de carbono. Se ha marcado como objetivo para el año 2050 reducir a la mitad sus emisiones de CO2 (EFE, 2014). Se espera un incremento del tráfico anual promedio de 4.5% para los próximos 20 años, que pondrá una gran presión al sector para encontrar las soluciones viables y de última tecnología para mitigar el cambio climático (ICAO, 2011). Sin embargo, el uso de nuevos biocombustibles no será rentable para las aerolíneas hasta 2020, y solo "si se invierten 50.000 millones de euros", según el presidente de IAG e Iberia, Antonio Vázquez (Díaz, 2011). Según la IATA, organismo integrado por más de 200 aerolíneas, para alcanzar estos desafíos, el sector aeronáutico deben definir aspectos como la inversión en innovación tecnológica; qué operaciones son más eficientes, qué infraestructura implementar y la cómo evoluciona la demanda del mercado (EFE, 2014). El INTI, organismo dependiente del Minsiterio de Industria, a través de su Centro INTI-Aeronáutico y

Espacial, está trabajando en el diseño de un laboratorio para apoyar su desarrollo nacional. Dicho laboratorio contara con un banco de pruebas de micro-turbinas aeronáuticas y equipamiento de medición de productos de combustión (INTI, 2013). Tom Enders, presidente de Airbus, en 2011, aseguró que "es una necesidad" el uso de combustibles alternativos en el sector para alcanzar "objetivos ambiciosos de reducción de CO2". Es más, el ejecutivo consideró que los biocombustibles "deben ser reservados principalmente para la aviación dado que nuestra industria no tiene otra fuente viable de energía alternativa" (Díaz, 2011). Mientras que Raymond Benjamin, secretario general de la OACI, un organismo dependiente de las Naciones Unidas y con sede en Montreal, dijo a través de un comunicado que en 10 años "el 10 por ciento del combustible empleado por la aviación internacional podría provenir de fuentes alternativas sostenibles" (AgenciaEFE, 2009). Para la implementación de estos combustibles como fuente alternativa, se deben tratar con cuidado desde varios puntos, desde el económico, viable y sostenible de todo su proceso de fabricación hasta su implementación, dado que cada uno de estos pasos son los que deberían marcar la diferencia respecto a los combustibles convencionales.

Biocombustible Se sabe que el proceso de fabricación es complejo ya que significa una combinación de petróleo y componentes no fósiles como el aceite vegetal o animal. No se da el caso, como el biocombustible para automotores, en donde la mezcla es directa, -esto es, de diesel y biodisel, sino que en el caso de la aeronáutica, sus condiciones extremas de operación hacen necesario producir un biocombustible con las mismas propiedades termo-físicas que el queroseno aeronáutico convencional. En otras palabras, un queroseno sintético, SPK (Synthesized Paraffinic, Kerosine) (Mingo, 2013).

manera experimental. En la ilustración 1, se muestra una tabla donde se muestran solo algunas de las rutas, las aerolíneas que han utilizado biocombustible y el tipo de combustible que han implementado. El biocombustible utilizado en la aviación cumple con los más altos estándares técnicos requeridos para volar. Este mezclado hasta en un 50% con combustible de aviación tiene las mismas propiedades y cumple con todas las especificaciones técnicas del Jet A1, combustible utilizado tradicionalmente en los vuelos comerciales (LANAirlines, 2013). Algunos puntos de vista de diferentes países

ANTECEDENTES Con la aprobación de Mayo de 2011 de la norma ASTM D7566, los combustibles para aviación producidos a partir de ésteres hidroprocesados y acido grasos (HEFA, siglas en Inglés), como derivados de materias primas tales como, la camelia, la Jatropha, algas y residuos de aceite de cocina, son ahora permitidos para su uso en vuelos comerciales (ICAO, 2011). Desde entonces, muchas aerolíneas han adoptado por la implementación de biocombustibles en algunas de sus rutas. Aunque muchas de ellas se realizan de

La ICAO emitió en 2011 un reporte exponiendo los puntos de vista que tiene esta entidad, otros países y los fabricantes respecto al uso de biocombustibles en la industria; todo esto con el fin de aclarar dudas y de exponer todos los datos que se tenían hasta el momento referentes al tema. Se muestra a continuación la postura que algunas potencias del sector tienen respecto a la utilización viable de este combustible como una fuente alternativa al problema energético, además de sus avances y problemas.

Ilustración 1 – Vuelos comerciales que utilizan biocombustibles, a partir del 27 de Octubre del 2011, (ICAO, 2011).

Biocombustible Brasil:  

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Brasil realizó el primer vuelo experimental de América Latina propulsado con combustible derivado de la Jatropha. Desde el 2005, EMBRAER ha vendido IPANEMA un avión agricultor, que son la primera producción de aviones propulsados por etanol. Más de 300 de estos aviones están ahora en servicio. BOING y EMBBRAER, juntos con ayuda del Banco de Desarrollo Inter-Americano, anunciaron en Julio del 2011, que ellos financiarían el estudio de sostenibilidad para los combustibles derivados de la caña de azúcar para la aviación.

China 

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En 1990, el consumo de combustible jet en China fue de 1.2 millones de toneladas. En el 2010, el consumo anual creció a 15.3 millones de toneladas, en promedio anual en el aumento del consumo de combustible es de 13.6%. Durante el mismo periodo 1990 a 2010, la eficiencia del combustible jet incremento en promedio anual, un 2.6%; permitiendo que se ahorraran 3.6 millones de toneladas, que es más de las toneladas que se consumieron en la industria del transporte en China en 1997. De acuerdo a una investigación, los biocombustibles pueden incrementar las emisiones, si el uso de la tierra cambia para la producción de biocombustibles. La segunda es si será posible comercializar los biocombustibles para la aviación. La tercera es si las políticas adoptadas para incentivar su uso, crearan ventajas-disputas en el futuro.

Europa 

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La Comisión Europea hizo hincapié en la necesidad de reducir las emisiones que se producen en el sector transporte un 60% para el 2050. Desde que los combustibles son un problema global, no solo para la aviación, sino que tiene además una relación con el sector de la energía, el cual será necesario. El criterio de sostenibilidad necesita desarrollo que cubra los múltiples usos de los biocombustibles, además del sector de la aviación.

En Colombia En Colombia se realizó el segundo vuelo con biocombustible de la aerolínea LAN en Suramérica, el 21 de Agosto de 2013, en un Airbus A320; el primero fue el 7 de marzo de 2012 entre las ciudades chilenas de Santiago y Concepción. El viaje se hizo entre los aeropuertos de Bogotá y Cali con 174 pasajeros a bordo. El biocombustible utilizado proviene de una planta llamada camelina. Para este primer vuelo en Colombia se usó una mezcla de 33% de biocombustible y 67% Jet A1 (LANAirlines, 2013).

AVANCES Y APLICACIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES EN EL SECTOR AERONÁUTICO Según (Repsol, 2012) el primer vuelo con bioqueroseno lo realizó una aeronave Airbus A320 de la aerolínea española Iberia, desde Madrid hasta Barcelona. Dicho vuelo utilizó una mezcla de 25% de biocombustible y 75% queroseno. El origen de este biocombustible fue del aceite de camelina, planta oleaginosa no comestible considerado 2da generación. Las ventajas de la camelina es que no compite como alimento, el uso del biocombustible como producto de su aceite implica hacer cero modificaciones en el motor y se obtiene una reducción de emisiones hasta de 1500 kg de CO2. Otro biocombustible de 2da generación es la Jatropha, cuyo aceite se extrae mediante un hidrotratamiento el cual consiste en someter esos aceites vegetales a una reacción química con hidrogeno, un catalizador y alta temperatura. Como resultado se logra obtener hidrocarburos con composición química idéntica al queroseno de origen fósil, por tanto se infiere que no se necesita la realización de modificaciones en el motor. Expertos anticipan que la gran reserva para los bioquerosenos vendrá de las microalgas, las cuales son consideradas biocombustibles de 3ra generación. Las microalgas crecen rápido, son de origen vegetal, producen más aceite y aprovechan más el sol. Aplicaciones por empresas y fabricantes. La aerolínea United Airlines durante un vuelo de prueba desde Los Ángeles hasta San Francisco,

Biocombustible implementó un biocombustible a base de heces fecales de animales. La composición del biocombustible empleado tiene 30% en desechos animales y es desarrollado por la empresa AltAir Fuels. La aerolínea mencionada anuncio igualmente una inversión de 30 millones de dólares en la empresa Fulcrum BioEnergy, una de las compañías más grandes en desarrollo e investigación de nuevas tecnologías para la creación de biocombustibles (Andrade, 2015). Dos de los fabricantes grandes de aeronaves, Embraer y Boeing, junto con la Fundación de Apoyo a la investigación de San pablo y la Universidad Estatal de Campinas han organizado una serie de talleres en Brasil y en el 2014 publicaron un estudio detallado llamado “Plan de vuelo para biocombustibles para la Aviación en Brasil”, el cual identifica los vacíos que desafiaron el establecimiento de los biocombustibles en esta industria. La intención de las anteriores organizaciones es llenar parcialmente dichos vacíos mediante el nuevo Centro de Investigación BoeingEmbraer. En 2011 Embraer y General Electric completaron pruebas de vuelo en una amplia variedad de condiciones a partir de una aeronave Embraer E-170 con combustible compuesto por esteres y HEFA; posteriormente en 2012 un Embraer E-195 de la compañía aérea Azul, voló durante la conferencia Rio +20 utilizando bioqueroseno a base de caña de azúcar desarrollado por Amyris (Embraer, 2015). Estudios muestran que los biocombustibles empleados en el sector aeronáutico emiten menor cantidad de CO2, esto es entre el 50-80% menos durante su ciclo de vida, que el combustible fósil de aviación. Desde 2011 se han operado más de 1600 vuelos comerciales en todo el mundo utilizando biocombustibles. Sin embargo los resultados de diferentes estudios reflejan la insatisfacción de ciertas propiedades físicas y químicas de los biocombustibles producidos, respecto a la normativa establecida para el uso de biocombustibles en la aviación; esto implica la no posibilidad del uso de 100% combustible de origen bio en las aeronaves. Se plantea un estudio de la viabilidad como combustible para la aviación de la destilación de un biodiesel (FAME) generado a partir de aceite de coco, al igual que el uso de bioqueroseno puro y mezclado con queroseno de origen fósil al 5, 10 y 20% en volumen. Como resultado de la caracterización del bioqueroseno, se determinó que la densidad, el poder

calorífico y la viscosidad no cumplen con los límites establecidos con la norma al respecto, por lo tanto el bioqueroseno no se puede utilizar en estado puro como combustible de aviación sin realizar sobre él ningún tratamiento que mejore las citadas propiedades (Gassol, 2010). La industria aeronáutica es un sector creciente. Los desarrollos tecnológicos implementados en las aeronaves y la compra de las mismas por parte de las aerolíneas a nivel mundial crece de forma exponencial, esto quiere decir que el tráfico aéreo está en constante crecimiento y de la mano la contaminación ambiental causada por emisiones de gases de efecto invernadero. Es evidente la implementación de diferentes alternativas de biocombustibles en el sector aeronáutico, los avances tecnológicos en los motores de las aeronaves en cuanto a menor consumo de combustible hasta en un 70%, y la preocupación de las diferentes empresas y organizaciones de esta industria por contribuir en la disminución de emisiones. Sin embargo es fundamental y necesario que la industria aeronáutica se preocupe igualmente por realizar una evaluación del uso de biocombustibles en torno a la sostenibilidad, que realmente no se tenga un alto impacto en cuanto a la seguridad alimentaria y poner en una balanza tanto los intereses económicos de las diferentes empresas como de las comunidades que viven de la materia prima para dichos biocombustibles.

VENTAJAS Y DESVENTAJS DE SU USO La industria de la aviación mide su progreso técnico en la creciente eficacia de los aviones y de los motores, y el combustible es uno de los artículos de coste más alto de una operación de línea aérea. Tendencias históricas en niveles de eficacia, demuestran que el avión que entra en las nuevas flotas hoy en día, está alrededor del 80% de eficiencia de combustible que aquellos que volaban en los años 60, y esto se ha conseguido gracias a los avances que se realizan en el diseño y en la operación diaria. El cambio a biocombustibles hace que estas aerolíneas midan las ventajas y desventajas del uso de este, observando el comportamiento en el avión y calculando el impacto ambiental que generaría la

Biocombustible

Ilustración 2 – Carga útil vs Rango

utilización de este en el medio aeronáutico (Pérez, 2010). Ventajas • Ayudar a la disminución de las emisiones de CO₂ a la atmósfera; no contiene azufre, por lo que ayudara a eliminar el problema de la lluvia ácida • En el aspecto técnico, tiene una lubricidad excelente y mayor punto de inflamación, lo que le aporta mayor seguridad.

• También, se advierte que aunque las emisiones de CO2 reducirían, el uso de estos biocombustibles aumentaría las emisiones de dióxido de nitrógeno. • Uno de los mayores inconvenientes hoy en día es que su coste todavía no lo hace competitivo frente al diésel convencional. • Respecto a las propiedades técnicas, tiene menor poder calorífico,

• Reducen de manera constante la emisión de CO2.

VIABILIDAD DE SU USO

• Emiten menos gases de efecto invernadero en su ciclo de vida comparado con los actuales combustibles, y esto da como resultado unas menores penalizaciones a las compañías en tasas de emisiones.

En general, se han llegado parcialmente a tres soluciones en distantes etapas del tiempo. Las cuales buscan reemplazar paulatinamente el kerosene de aviación actual conocido como jet A / jet A-1.

Desventajas • La competencia que suponen respecto al uso de la tierra y del agua, lo que además provoca subidas de precios en los alimentos básicos y en los insumos agrarios. • Muchos investigadores advierten que para abastecer el mercado actual, sería necesario aumentar considerablemente las áreas de plantaciones, lo que significa sustituir los cultivos actuales o deforestar más zonas para plantación.

La primera es una solución a corto plazo, la cual consiste en producir los denominados “SPK” o kerosene parafinico sintético a partir del proceso Fischer-Tropsch cuya finalidad es transformar el gas de síntesis (obtenido de una oxidación parcial del carbón o biomasa) en una cadena de hidrocarburos que posteriormente puede ser refinada en un combustible demasiado parecido al Jet A. La gran ventaja de este método es que el producto final es libre de azufre y aromáticos, por lo que las emisiones

Biocombustible

Ilustración 3 – Gramos de CO2 emitidos para distintos combustibles.

son mucho más limpias. Sin embargo, los estudios de ciclo de vida de la síntesis de Fischer-Tropsch han demostrado que si no se implementan tecnologías de captura del CO2, el proceso no es sostenible. Lo que se busca con esta solución es combinar 50/50 el kerosene sintético con el actual obtenido de la refinación del crudo (David L.Dagget). La segunda solución, son los biocombustibles obtenidos a partir de cultivos energéticos, específicamente aquellos denominados de tercera generación tales como los producidos a partir de algas y Jatropha. Cuyo procesamiento y generación no influye ni compite con los alimentos. Sin embargo sus características de operación no son las más adecuadas ya que en condiciones normales tiende a congelarse y pierde su estabilidad térmica/química. Por esto, se piensa en combinar el combustible sintético para mejorar sus propiedades y cumplir con los requerimientos de la norma; o combinarse con el Jet A tradicional (80%) y biojet (20%). La tercera solución (largo plazo) es la aplicación de los combustibles criogénicos en los motores. Es el caso del hidrogeno y metano líquido. El gran reto es realizar las modificaciones al sistema de propulsión, específicamente a la cámara de combustión. También, la conservación y almacenamiento del combustible criogénico ya que afecta la presión del sistema.

Este combustible debe cumplir con varios requerimientos, mencionando algunos de gran importancia: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Alta densidad de energía Buena atomización Buenas características de combustión Estabilidad térmica Buenas características de almacenamiento Bajo punto de congelación

Muchos de los combustibles alternativos carecen de una u otra característica para asemejarse al Jet A. Por ejemplo, para el biodiesel su punto de congelación no es lo suficientemente bajo para las condiciones de operación de las aeronaves. El caso del hidrogeno es su alto volumen especifico y los cambios al sistema de combustible requeridos. El kerosene sintético producido por síntesis de Fishcer-Tropsch resulta en características muy similares al convencional lo que facilita su combinación en mayor porcentaje. Efectos de los combustibles alternativos en el desempeño de las aeronaves Una de las formas más óptimas de analizar el efecto de los combustibles alternativos en la aviación es investigar la relación entre la carga útil y el rango. Es decir, como afecta el consumo de combustible y el

Biocombustible rango al usar los combustibles alternativos para luego compararlo con el convencional.

al peso molecular del mismo. Un estudio arrojo una reducción en las emisiones de CO de alrededor 22%.

En la ilustración 2 se puede apreciar como varia esta relación para diferentes tipos de combustibles. Cabe destacar que la densidad es un factor fundamental ya que determina el volumen de los tanques de combustible.

Algunas de las emisiones de diferentes mezclas y combustibles, se exponen en la ilustración 4.

Análisis de ciclo de vida

Las diferentes NGOs exponen que se requerirán importantes niveles de inversión y financiación para hacer que el costo de lo los biocombustibles sea competitivo con respecto a los convencionales, y se estima actualmente que se requiera $13 trillones en todos los medios de transporte. Esta carga financiera expone el desafío de los combustibles alternativos en términos de su capacidad de ampliación y el costo.

Con el fin de evaluar el efecto medioambiental es necesario realizar un análisis de ciclo de vida sobre todo el proceso. Este debe incluir la producción, el transporte, refinamiento y utilización del combustible (Simon Bakley). Los resultados del estudio de análisis de clico de vida se resumen en la ilustración 3. Emisiones Los estudios recientes han demostrado que las emisiones en cuanto al material particulado han disminuido notoriamente. Lo anterior se debe a la reducción de los contenidos aromáticos en los combustibles alternativos. Sin embargo, no se reportó el potencial contaminante de este material particulado. Con respecto a las emisiones de NOx, se toma como referencia la fase de ascenso y crucero del vuelo. Debido a que la presencia de Nitrógeno es mínima, el uso de combustibles alternativos reduce las emisiones de NOx por un 12%. El monóxido de carbono se hace presente en condiciones de operación a baja potencia y está ligado directamente a la presencia de aromáticos en la estructura química del combustible y

PRÓXIMOS PASOS

En la ilustración 5 se muestra una gráfica donde se refleja el reto en precio que tiene el biojet en la industria. Aunque esta gráfica se estimó en el 2011, no tiene en cuenta la caída que tuvo el precio del petróleo en el presente año (2015), lo cual ahora representa un reto mayor en cuanto a competitividad para el biojet. Donde se está ahora con los biocombustibles: En el 2008, el primer vuelo en la historia con la utilización de biocombustibles tomo lugar. Fue el primero de una serie de pruebas para hacer la validación y confiabilidad de los biocombustibles en la aviación. Una característica importante de los combustibles drop-in es que no se debe adaptar la flota y los equipos existentes.

Ilustración 4 – Emisiones de diferentes biocombustibles

Biocombustible Sin embargo una serie de problemas relacionados con el uso de biocombustibles permanecen, incluyendo: lo relativo a las materias primas, investigación en eficiencias y en las salidas de las fuentes de combustibles de biomasa, criterio de sostenibilidad,

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Ilustración 5 – El reto del precio de los combustibles alternativos para avión (Energy Information Administration, 2011).

entre otros. La comercialización es en particular el gran reto.

CONCLUSIONES Como se expuso a lo largo del documento, el uso de biocombustibles en el sector de la aviación es un campo que se sigue investigando e innovando. Se quería exponer a los pros y los contras de su uso, y el futuro que se espera, al igual que las metas de los países y fabricantes. Se puede entonces decir lo siguiente: 

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Los combustibles alternativos deben cumplir con unas características específicas de combustión y operación por lo que en el momento no existe la tecnología de reemplazar 100% el combustible convencional Jet-A. La densidad de energía junto al peso y volumen del combustible afectan directamente el desempeño de la aeronave por lo que se requieren combustibles versátiles. Además, con un punto de congelación bajo para operar en altas alturas sin ningún problema. El bio-jet

obtenido por el tratamiento del aceite proveniente de algas o cultivos energéticos tiene este problema por lo que se necesita mezclar con el jet-A tradicional. Alrededor de un 20% de biojet mejora dicho problema. El combustible obtenido a partir del proceso Fishcer-Tropsch es bastante comprometedor. Combinándolo 50/50 con el Jet A ha demostrado excelente desempeño reportado en las múltiples pruebas de vuelo. Mucha investigación falta para poder reemplazar completamente el combustible obtenido del refinamiento del crudo, específicamente, caracterizar de forma exacta su estructura y la cinética de la combustión. El uso de combustibles alternativos puede reducir las emisiones de C02 sin embargo hay que tener en cuenta todo el ciclo de vida para producir realmente biocombustibles sostenibles desde cualquier punto de vista.

La industria de la aviación, ya ha enviado fuertes señales acerca de lo necesario de los biocombustibles en la industria para producir sostenibilidad, en el lugar adecuado, al precio correcto, ellos serán definitivamente, los que tengan una mayor demanda.

Biocombustible

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