Universidad de La Salle Universidad de La Salle
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Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
1-1-2010
Cuantificación y análisis de Gases de Efecto Invernadero (GEI) en Cuantificación y análisis de Gases de Efecto Invernadero (GEI) en el ciclo de vida del etanol obtenido de la caña de azúcar, con base el ciclo de vida del etanol obtenido de la caña de azúcar, con base en las directrices del IPCC 2006. Caso de estudio: Ingenio
en las directrices del IPCC 2006. Caso de estudio: Ingenio Providencia S.A
Providencia S.A
Ángela Viviana Bohórquez Lozano Universidad de La Salle, Bogotá Diana Carolina Lugo Alvarado Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada
Bohórquez Lozano, Á. V., & Lugo Alvarado, D. C. (2010). Cuantificación y análisis de Gases de Efecto Invernadero (GEI) en el ciclo de vida del etanol obtenido de la caña de azúcar, con base en las directrices del IPCC 2006. Caso de estudio: Ingenio Providencia S.A. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/
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CUANTIFICACIÓN Y ANÁLISIS DE GASES DE EFECTO INVERNADERO (GEI) EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE LA CAÑA DE AZUCAR, CON BASE EN LAS DIRECTRICES DEL IPCC 2006. CASO DE ESTUDIO: INGENIO PROVIDENCIA
S.A.
ANGELA VIVIANA BOHÓRQUEZ LOZANO DIANA CAROLINA LUGO ALVARADO
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA BOGOTÁ
2010
CUANTIFICACIÓN Y ANÁLISIS DE GASES DE EFECTO INVERNADERO (GEI) EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE LA CAÑA DE AZUCAR, CON BASE EN LAS DIRECTRICES DEL IPCC 2006. CASO DE ESTUDIO: INGENIO PROVIDENCIA
S.A.
ANGELA VIVIANA BOHÓRQUEZ LOZANO DIANA CAROLINA LUGO ALVARADO
Tesis de grado para optar al título de Ingeniera Ambiental y Sanitaria
Director
GABRIEL HERRERA TORRES Ing. Sanitario
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA BOGOTÁ
2010
Nota de aceptación
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Firma Director de Tesis
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Firma del jurado 1
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Firma del jurado 2
Bogotá D.C. 9 de Diciembre de 2009
A mi Padre, Madre y Andre.
VIVIANA BOHÓRQUEZ
Para mi familia porque son lo más preciado de mi vida, principalmente a mi madre Norma Alvarado porque gracias a su constancia y esfuerzo soy quien soy y por lo tanto le debo todo, hasta mi vida.
A mi hermana Claudia por sus consejos, su apoyo y ante todo por el gran ejemplo de vida que me brinda con su existencia
A mi tía Ruby por su dedicación, compañía, comprensión y por creer firmemente en mí.
A Daniela y Alejandro por convertirse en fuentes de inspiración en todo lo que hago.
A Estefanía y Viviana por sus enseñanzas, su ejemplo, compañía, apoyo y aceptación, pero por encima de todo por su verdadera e incondicional amistad, pues hicieron de mi pregrado una experiencia inolvidable.
DIANA LUGO
AGRADECIMIENTOS
Las autoras agradecen a:
INGENIO PROVIDENCIA S.A. y todos aquellos trabajadores del mismo, especialmente al Ing. Adolfo León Vivas, Ing. Mauricio Tello, Ing. Walter Rodríguez, Ing. Sandra Salamanca por brindarnos información y orientación y permitirnos el ingreso a las instalaciones para llevar a cabo este estudio.
CENICAÑA por sus investigaciones y documentos técnicos de la variedad CC 85 92, pues representaron grandes aportes para el presente estudio.
GABRIEL HERRERA TORRES, Director del proyecto, por su disposición para las valiosas jornadas de apoyo, orientación, conocimiento y amistad.
RAMIRO BESOSA, quien estuvo siempre dispuesto a ayudarnos e intercedió por nosotras ante el ingenio para el desarrollo del presente proyecto.
MILTON SAZA GARAVITO, por sus valiosos aportes y enseñanzas y su completa disposición.
JOSEFINA H. SÁNCHEZ CUERVO, por su valioso apoyo y completa disposición para colaborarnos e interceder ante nuestras inquietudes.
FABIAN PINZÓN, Director externo, por su apoyo, orientación y colaboración.
MARGARITA GUTIERREZ, por su colaboración y guía en el cálculo y en general por la orientación del proyecto.
LUIS R. BARRETO PEDRAZA, por sus valiosos aportes en el desarrollo del presente estudio y por su destacada disposición y labor como docente de la Universidad De La Salle.
INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES (IDEAM), por permitirnos realizar este proyecto con la asesoría formal de todos sus expertos, a través del acta de compromiso No. 002 de 2008 suscrita entre el mismo y la Universidad De La Salle.
ESPERANZA LOZANO R., por su aporte técnico e informático en el desarrollo del libro de cuantificación del presente estudio.
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN ... 1
OBJETIVOS ... 2
1 MARCO DE REFERENCIA ... 3
1.1 EFECTO INVERNADERO ... 3
1.1.1 Gases efecto invernadero. . ... 4
1.1.2 Inventarios de GEI . ... 8
1.2 BIOCOMBUSTIBLES ... 9
1.2.1 Ciclo de Vida del Bioetanol. . ... 12
1.3 MARCO LEGAL ... 20
1.3.1 Internacional. ... 20
1.3.2 Nacional. ... 20
2 METODOLOGÍA ... 24
2.1 DESARROLLO DEL ESTUDIO ... 24
2.2 MÉTODO DE ESTIMACIÓN ... 24
2.2.1 Sector de energía. ... 26
2.2.2 Sector de procesos industriales y uso de productos (IPPU). ... 27
2.2.3 Sector de agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra (AFOLU). . 28
2.2.4 Sector Desechos. ... 35
2.3 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES DE ENTRADA ... 39
3 APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA ... 44
3.1 LÍMITES DEL ANÁLISIS DEL CDV DEL BIOETANOL ... 44
3.2 IDENTIFICACIÓN DE FUENTES DE EMISIÓN ... 44
3.3 CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES DE EMISIÓN ... 46
3.4 ELECCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO Y RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN .. 47
3.4.1 Área de estudio. ... 47
3.4.2 Etapa de cultivo. : ... 53
3.4.3 Etapa de cosecha. : ... 54
3.4.4 Etapa de proceso industrial. ... 54
3.4.5 Etapa de distribución. . ... 64
3.4.6 Etapa de uso. ... 65
3.5 APLICACIÓN DEL MÉTODO DE ESTIMACIÓN ... 65
3.5.1 Sector de energía. . ... 65
3.5.2 Sector de agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra (AFOLU). ... 73
3.5.3 Sector desechos. ... 79
4 ANALISIS DE RESULTADOS ... 85
4.1 DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) ... 87
4.2 METANO (CH4) ... 89
4.3 ÓXIDO NITROSO (N2O) ... 90
4.4 MONÓXIDO DE CARBONO (CO) ... 91
5 MITIGACION A LA EMISIÓN DE GEI ... 92
5.1 MITIGACIÓN EN LA COMBUSTIÓN ESTACIONARIA ... 93
5.2 MITIGACIÓN EN LA QUEMA DE CAÑA DE AZÚCAR (PRECOSECHA) ... 94
5.3 MITIGACIÓN EN EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE DESECHOS ... 97
6 CONCLUSIONES ... 99
7 RECOMENDACIONES ... 101
BIBLIOGRAFIA ... 102
ANEXOS
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Potenciales de Calentamiento Mundial ... 8
Tabla 2. Procesos de obtención de bioetanol ... 11
Tabla 3. Procesos en la Clarificación ... 17
Tabla 4. Procesos en la destilación ... 18
Tabla 5.Normatividad en materia de biocombustibles (alcohol carburante) ... 22
Tabla 6. Variables de entrada para el sector energía en el CDV del bioetanol. ... 40
Tabla 7. Variables de entrada para el sector agricultura en el CDV del bioetanol. ... 41
Tabla 8. Variables de entrada para el sector desechos en el CDV del bioetanol. ... 43
Tabla 9. Área y variedad de las suertes (100 a 104) de la Hacienda la Aurora. ... 48
Tabla 10. Producción de partes de la caña variedad CC 85-92, y extracción de nutrimentos. ... 49
Tabla 11.Manejo agrícola del área de estudio Ingenio Providencia S.A. ... 51
Tabla 12. Fertilizantes requeridos en las suertes 101, 101A, 103A y 104B en la Hacienda la Aurora - Cosecha 2008. ... 52
Tabla 13. Cantidad de fertilizante y contenido de Nitrógeno aplicado en el área de estudio (63 ha). ... 53
Tabla 14. Vehículos que intervienen en la etapa de cultivo. ... 54
Tabla 15. Vehículos que intervienen en la etapa de cosecha. ... 54
Tabla 16. Composición de las pilas en el Ingenio Providencia S.A. ... 58
Tabla 17. Características comerciales de PROVICOMP. ... 59
Tabla 18. Vehículos que intervienen en la planta de compostaje. ... 60
Tabla 19. Vehículos que intervienen en la distribución de Bioetanol ... 65
Tabla 20. Factores de Emisión de GEI para los combustibles usados en las calderas. .... 68
Tabla 21. Emisiones de GEI en la combustión de Carbón. ... 68
Tabla 22. Fuentes de combustión móvil en las etapas del CDV del bioetanol. ... 69
Tabla 23. Consumos de Combustible de las fuentes de emisión móvil. ... 72
Tabla 24. Emisiones de GEI por la combustión móvil en el CDV del bioetanol ... 73
Tabla 25. Factores de emisión para la quema de biomasa ... 74
Tabla 26. Emisiones de GEI del sector agricultura. ... 79
Tabla 28. Emisiones de CH4 de las aguas residuales. ... 84
Tabla 29. Emisiones de GEI del sector de desechos. ... 84
Tabla 29. Emisiones de GEI por sectores ... 85
Tabla 30. Emisiones de CO2 equivalente del CDV del bioetanol ... 86
Tabla 31. Emisiones de óxido nitroso en el sector agricultura. ... 91
Tabla 32. Alternativas de mitigación de GEI en la combustión de fuentes estacionarias. . 95
Tabla 33. Alternativas de mitigación de GEI en la quema precosecha de caña y tratamiento de desechos. ... 98
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Efecto Invernadero Natural ... 4
Figura 2. Emisiones de GEI antropogénicos*Fuente: IPCC, Informe de Evaluación del Cambio Climático, 2007. ... 6
Figura 3. Tipos de combustibles obtenidos de biomasa. ... 10
Figura 4. Etapas del ciclo de vida de un producto... 12
Figura 5. Ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar. ... 13
Figura 6. Fuentes, categorías y subcategorías del sector energía. ... 26
Figura 7. Fuentes, categorías y subcategorías del sector agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra. ... 29
Figura 8. Fuentes y categorías del sector desechos. ... 36
Figura 9. Límites del análisis del ciclo de vida (ACV) del etanol obtenido de caña de azúcar. ... 44
Figura 10. Diagrama de bloques en términos de GEI del ciclo de vida del bioetanol. ... 45
Figura 11. Aplicación de la metodología del IPCC 2006 al CDV del bioetanol obtenido de caña de azúcar. ... 46
Figura 12. Maquina volteadora BACKUS Ingenio Providencia S.A. ... 59
Figura 13. Aireación y aplicación de nutrientes. Ingenio Providencia S.A. ... 59
Figura 14. Tanque de Equilibrio - PTAR Ingenio Providencia S.A. ... 61
Figura 15. Reactor anaerobio UASB modificado - PTAR Ingenio Providencia S.A. ... 61
Figura 16. Quemador de biogás. - PTAR Ingenio Providencia S.A. ... 62
Figura 17. Tanque de aireación o reactor de lodos activados. - PTAR Ingenio Providencia S.A. ... 62
Figura 18. Decantador Secundario. - PTAR Ingenio Providencia S.A. ... 63
LISTA DE GRÁFICAS
pág.
Gráfica 1. Emisiones de CO2 eq en el CDV del bioetanol. ... 87
Gráfica 2. Emisiones de dióxido de carbono en el ciclo de vida del Bioetanol ... 88
Gráfica 3. Emisiones de metano en el ciclo de vida del bioetanol ... 89
Gráfica 4. Emisión de óxido nitroso en el ciclo de vida del bioetanol. ... 90
Gráfica 5. Emisiones de CO2 equivalente por actividad en el ciclo de vida del bioetanol. . 92
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE AZÚCAR ANEXO B. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE DESTILACIÓN
ANEXO C. CÁLCULOS PARA LA CUANTIFICACIÓN DE GEI
ANEXO D. CÁLCULO DE GEI EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE CAÑA DE AZÚCAR-LIBRO DE EXCEL (CD ADJUNTO)
ANEXO E. INSTRUCTIVO PARA EL LIBRO DE EXCEL “CÁLCULO DE GEI EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE CAÑA DE AZÚCAR”
GLOSARIO
Alcohol Carburante, Alcohol Etílico o Alcohol Anhidro: el alcohol carburante y/o etanol anhidro desnaturalizado es un compuesto orgánico líquido, de naturaleza diferente a los hidrocarburos, que tiene en su molécula un grupo hidróxilo (OH) enlazado a un átomo de carbono.
Aporque: es el acto de poner tierra al pie de las plantas, sea como lampa, sea con arados especiales de doble vertedera para darles mayor consistencia y así conseguir que crezcan nuevas raíces asegurando una nutrición más completa de la planta y conservar la humedad durante más tiempo.
Arado: labor agrícola, que tiene por objetivo fracturar y voltear el suelo, puede realizarse mecánica o manualmente.
Azeótropo: mezcla líquida de dos o más sustancias que se comporta como una sustancia única, en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido.
Bioetanol: alcohol etílico que puede producirse de los vegetales que contienen sacarosa (remolacha, caña de azúcar, etc.) o almidón (trigo, maíz, etc.) y al cual se le agrega una sustancia desnaturalizante para convertirlo en no potable.
Biomasa: cualquier tipo de materia orgánica que ha tenido su inmediato como consecuencia de un proceso biológico y toda materia vegetal originada por el proceso de la fotosíntesis; así como de los procesos metabólicos de los organismos heterótrofos, el material vegetal recientemente muerto suele estar conceptuado como biomasa muerta. La cantidad de biomasa se expresa mediante su peso en seco o mediante su contenido de energía, de carbono o de nitrógeno.
Calentamiento Global: incremento gradual de la temperatura del planeta como consecuencia del aumento de la emisión de ciertos gases de Efecto Invernadero - GEI) que impiden que los rayos del sol salgan de la tierra, bajo condiciones normales.
Cambio Climático: variación del estado del clima identificable (por ejemplo, mediante pruebas estadísticas) en las variaciones del valor medio y/o en la variabilidad de sus propiedades, que persiste durante largos períodos de tiempo, generalmente decenios o períodos más largos.
Chulquines: brotes de yemas laterales en el tallo de la caña aún estando en desarrollo;
también se les llama lalas.
Ciclo de Vida: actividades principales de la vida útil de un producto, desde su manufactura incluyendo la adquisición de materia prima requerida, uso y mantenimiento hasta su disposición final.
Cogollo: parte superior de la caña de azúcar que contiene las yemas de más vigor germinativo.
Compost: material estable que resulta de la descomposición de la materia orgánica en procesos de compostaje.
Destilación: la destilación es la operación de separar mediante calor, los componentes líquidos de una mezcla, aprovechando las diferencias de los puntos de ebullición de dichos compuestos.
Dióxido de Carbono: gas que existe espontáneamente y también como subproducto del quemado de combustibles fósiles (como el petróleo, el gas o el carbón), de la quema de biomasa, o de los cambios de uso de la tierra y otros procesos industriales. Es el gas de efecto invernadero antropógeno que más afecta al equilibrio radiativo de la Tierra y es el gas de referencia para la medición de otros gases de efecto invernadero, por consiguiente, su potencial de calentamiento mundial es igual a 1.
Distribuidor Mayorista: toda persona natural o jurídica dedicada a ejercer la distribución de combustibles líquidos derivados del petróleo, a través de una planta de abastecimiento, la cual entrega dichos productos con destino a la(s) planta(s) de otro(s) distribuidor(es) mayorista(s), a los distribuidores minoristas o al gran consumidor.
Distribuidor Minorista: toda persona natural o jurídica dedicada a ejercer la venta de combustibles líquidos derivados del petróleo al consumidor final, a través de una estación de servicio o como comercializador industrial.
Efecto Invernadero: fenómeno en el que los gases de efecto invernadero absorben eficazmente la radiación infrarroja emitida por la superficie de la Tierra, en la atmósfera debido a esos mismos gases, y por las nubes.
Fermentación: conversión de los azúcares invertidos en etanol, a través de reacciones bioquímicas ocasionadas principalmente por una cepa especial de levadura.
Flegmazas: subproducto líquido de la rectificación del mosto en la fermentación del etanol.
Gases Efecto Invernadero: componente gaseoso de la atmósfera, natural o antropógeno, que absorbe y emite radiación en determinadas longitudes de onda del espectro de radiación infrarroja térmica emitida por la superficie de la Tierra, por la propia atmósfera y por las nubes. Se consideran GEI directos los que se emiten directamente a la atmósfera e indirectos los gases que por reacciones fotoquímicas forman los gases directos.
Grados Brix: contenido total de sacarosa disuelta en un líquido. Una solución de 25 °Brix tiene 25 g de azúcar (sacarosa) por 100 g de líquido.
Imbibición: desplazamiento de un fluido viscoso por otro fluido inmiscible con este.
Metano: el metano es uno de los seis gases de efecto invernadero que el Protocolo de Kyoto se propone reducir. Es el componente principal del gas natural, y está asociado a todos los hidrocarburos utilizados como combustibles, a la ganadería y a la agricultura.
Monóxido de carbono: es un gas efecto invernadero indirecto creado cuando el carbono contenido en los combustibles es quemado incompletamente y posteriormente es oxidado a CO2 a través de procesos naturales. La mayoría de las emisiones de CO de la combustión de combustibles proviene de los automotores.
Óxido Nitroso: uno de los seis tipos de gases de efecto invernadero que el Protocolo de Kyoto se propone reducir. La principal fuente antropógena de óxido nitroso es la agricultura, pero también hay aportes importantes provenientes del tratamiento de aguas residuales, del quemado de combustibles fósiles y de los procesos industriales químicos.
El óxido nitroso es también producido naturalmente por diversas fuentes biológicas presentes en el suelo y en el agua y particularmente por la acción microbiana en los bosques tropicales pluviales.
Plántula: pequeña planta nacida de semilla de la caña de azúcar, que es sembrada sobre el surco del cultivo.
Potencial de Calentamiento Mundial o Global: índice basado en las propiedades radiativas de una mezcla homogénea de gases de efecto invernadero, que mide el forzamiento radiativo producido por una unidad de masa de un gas de efecto invernadero homogéneamente mezclado en la atmósfera actual, integrado a lo largo de determinado horizonte temporal, respecto del forzamiento por dióxido de carbono. Representa el efecto combinado de los diferentes períodos de permanencia de esos gases en la atmósfera, y
su eficacia relativa de absorción de la radiación infrarroja saliente. El Protocolo de Kyoto está basado en los PCM de los impulsos de emisión a lo largo de 100 años.
Rastrillado: labor agrícola que tiene como finalidad destruir terrones grandes y garantizar un contacto óptimo entre la semilla y el suelo, se realiza por medio de rastrillos.
Replante: es una práctica agrícola que consiste en enterrar plantas de mayor edad en los sitios donde las plantas se perdieron después del corte.
Resiembra: es una práctica agrícola que consiste en plantar nuevamente cepas o tallos, en los sitios donde el material no germinó o las plantas se perdieron después del corte.
Siembra: labor agrícola en la que se coloca la semilla o material vegetativo de una planta en los surcos, puede realizarse mecánica o manual.
Subsolado: labor agrícola que consiste en fracturar el suelo hasta una profundidad de 60 centímetros, con el fin de destruir las capas compactas o impermeables y de esta manera, mejorar la estructura y facilitar el movimiento del aire y del agua en el suelo.
Surcado: labor agrícola que consiste en hacer surcos o camas donde se coloca la semilla o material vegetativo de siembra. Se ejecuta con un surcador acoplado a un tractor agrícola o de manera manual con el uso de vehículos de tracción animal.
Surco: hendidura que se labra en un cultivo, donde se colocan las semillas o material vegetativo.
Vinaza: subproducto líquido de la destilación del mosto en la fermentación del etanol, con gran contenido de materia orgánica y nutrientes como nitrógeno, azufre, fósforo y potasio.
Entre los compuestos orgánicos más importantes, están los alcoholes, ácidos orgánicos y aldehídos, además de contener compuestos fenólicos recalcitrantes, como las melanoidinas.
ABREVIATURAS
ACV: análisis de ciclo de vida.
AFOLU: agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra CDV: ciclo de vida del bietanol.
CENICAÑA: Centro de Investigación de Caña de Azúcar de Colombia.
CMCC: Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático.
CONPES: Consejo Nacional de Política Económica y Social.
COVDM: compuestos orgánicos volátiles diferentes al metano.
DBO: demanda biológica de oxigeno.
DQO: demanda química de oxigeno.
E10: mezcla de etanol al 10% (v/v).
E20: mezcla de etanol al 20% (v/v).
EPA: United States Environmental Protection Agency.
GEI: Gases Efecto Invernadero.
ICONTEC: Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación.
IDEAM: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia.
IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change.
IPPU: Procesos industriales y uso de productos.
ISO: International Organization for Standardization.
MAVDT: Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial.
NTC: Norma Técnica Colombia.
OMS: Organización Mundial de la Salud.
PCM: Potencial de Calentamiento Mundial o Global.
PNUMA: Programa de la Naciones Unidas para el Medio Ambiento.
PTAR: Planta de Tratamiento de Aguas Residuales.
SBSTTA: Subsidiary Body on Scientific, Technical and Technological Advic.
SST: Sólidos Suspendidos Totales
TCH: Toneladas de Caña cortada por Hectárea.
UPME: Unidad de Planeación Minero Energética.
VCN: Valor Calórico Neto.
RESUMEN
Para determinar la viabilidad ambiental del etanol y en general de cualquier biocombustible deben considerarse varios aspectos ambientales que incluyan un estudio detallado a lo largo del ciclo de vida, uno de ellos es el análisis y la cuantificación de los gases efecto invernadero (GEI), en donde se contemplan todas las etapas involucradas en la obtención del biocombustible y se realiza una cuantificación exhaustiva teniendo en cuenta las actividades generadoras de estos gases. En el presente trabajo se analizó el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, en donde se contemplaron las siguientes etapas: cultivo de caña de azúcar, cosecha, proceso industrial de transformación, distribución y uso; y las entradas de insumos con el fin de cuantificar las emisiones de GEI y de esta manera aportar a la futura comparación con el ciclo de vida completo de otros combustibles.
Para realizar la cuantificación se adaptaron las directrices del Panel Intergubernamental de Expertos del Cambio Climático (IPCC) 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero, para los sectores energía, agricultura y desechos y los gases dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y monóxido de carbono (CO). La información requerida para la cuantificación fue obtenida del INGENIO PROVIDENCIA S.A. quien brindó datos específicos de cada una de las etapas del proceso tomando como base de estudio sesenta y tres (63) hectáreas de cultivo de caña de azúcar.
En el sector energía se cuantificaron las emisiones de GEI producidas por la combustión estacionaria (calderas y modulo de riego) y por la combustión móvil (tractores agrícolas, vehículos en la planta de compostaje, transporte de caña y bioetanol), resultando una emisión total de 4469,497 toneladas de GEI expresadas como CO2 equivalente.
En el sector agricultura se cuantificaron las emisiones de GEI, producidas por la quema a cielo abierto del cultivo de caña antes de la cosecha, así como las producidas por la aplicación de fertilizantes y urea, obteniendo finalmente una emisión para el sector de 3100,188 toneladas de GEI expresadas como CO2 equivalente.
De la misma manera, en el sector desechos las emisiones de GEI son producto del tratamiento biológico de compost (vinazas) y tratamiento de aguas residuales, con un valor total de 2606,880 toneladas de GEI expresadas como CO2 equivalente y finalmente se considera el proceso de fermentación en el que los productos son el alcohol y el CO2, con un valor de 165,299 ton de CO2 equivalente.
Palabras Clave: Gases Efecto Invernadero, Ciclo de vida, IPCC, Análisis de ciclo de vida.
INTRODUCCIÓN
La producción de biocombustibles se ha constituido como una iniciativa en materia de energía renovable, eficiencia energética y mitigación de las emisiones de GEI, sin embargo el Órgano Subsidiario de Asesoramiento Científico, Técnico y Tecnológico del Convenio de Diversidad Biológica (SBSTTA), los considera como uno de los nuevos retos que deberá ser evaluado mediante los impactos ambientales en cada una de las fases de la cadena productiva (ciclo de vida) para determinar su viabilidad y sostenibilidad. Por lo anterior, el presente estudio pretende cuantificar y analizar las emisiones de GEI mediante el análisis del ciclo de vida del etanol obtenido de caña de azúcar, (caso de estudio;
Ingenio Providencia S.A.) adaptando al mismo las Directrices del Panel Intergubernamental de Expertos del Cambio Climático (IPCC 2006) para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero.
En el primer capítulo se exponen los aspectos generales de los GEI y las etapas involucradas en el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar. Se examina también la legislación que regula el uso de los biocombustibles en Colombia. Lo anterior, con el objetivo de dar un marco de referencia íntegro y concreto del trabajo desarrollado.
En el capítulo dos (2) se presenta la metodología usada para el cálculo y la manera en la que la misma se adapta al ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar para el caso de estudio. Allí se muestra también el método básico de estimación y se identifican las variables de entrada necesarias para la aplicación de la metodología.
En el capítulo tres (3) se muestra el desarrollo del estudio, se establecen los límites del análisis, se identifican y clasifican las diferentes fuentes de emisión presentes en el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, también se muestra como se hizo la elección del área de estudio y la forma en la que se recolectó la información necesaria que constituye las variables de entrada.
En el capítulo cuatro (4) se muestran los resultados obtenidos del cálculo para cada gas y se analizan los mismos por medio de gráficas y comparaciones. En el capítulo cinco (5) se proponen alternativas de mitigación de la emisión de GEI, teniendo en cuenta que en el capitulo anterior se identificaron las actividades que más contribuían con la misma.
Finalmente, en los capítulos seis (6) y siete (7) se presentan de manera concreta los resultados obtenidos en el estudio y se proponen recomendaciones para complementar y mejorar estudios futuros asociados con los biocombustibles. Este estudio pretende contribuir al balance neto de GEI (que contempla las absorciones) en una estimación futura y también al complejo análisis de los biocombustibles con el fin de crear una línea base que permita la comparación de los mismos con los combustibles fósiles.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Estimar las emisiones de gases de efecto invernadero producidas por el ciclo de vida del etanol obtenido de la caña de azúcar, caso de estudio: INGENIO PROVIDENCIA S.A, con base en los lineamentos del panel intergubernamental de cambio climático IPCC, para la elaboración de inventarios nacionales de gases de efecto invernadero 2006.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Identificar y cuantificar el uso de combustibles dentro del ciclo de vida del etanol obtenido del cultivo de la caña de azúcar y las emisiones de gases de efecto invernadero GEI, producidas por los mismos en el INGENIO PROVIDENCIA S.A., con base en los lineamentos del IPCC, para la elaboración de inventarios nacionales de gases de efecto invernadero 2006.
• Identificar y cuantificar las emisiones de gases de efecto invernadero GEI, producidas por el uso y gestión de la tierra dentro del ciclo de vida del etanol obtenido a través del cultivo de caña de azúcar en el INGENIO PROVIDENCIA S.A., con base en los lineamentos del panel intergubernamental de cambio climático IPCC, para la elaboración de inventarios nacionales de gases de efecto invernadero 2006.
• Identificar y cuantificar las emisiones de gases de efecto invernadero GEI, provenientes de los desechos generados dentro del ciclo de vida del etanol obtenido a través del cultivo de caña de azúcar en el INGENIO PROVIDENCIA S.A., con base en los lineamentos del panel intergubernamental de cambio climático IPCC, para la elaboración de inventarios nacionales de gases de efecto invernadero 2006.
• Proponer alternativas para la reducción de gases de efecto invernadero GEI, en el proceso productivo del etanol obtenido de caña de azúcar en el INGENIO PROVIDENCIA S.A.
• Proponer posibles modificaciones o ajustes a las orientaciones nacionales y a la guía ambiental del subsector de caña de azúcar, de manera que se impulsen las buenas prácticas en materia ambiental, orientadas a la reducción de GEI dentro del ciclo de vida del etanol obtenido de la misma.
1 MARCO DE REFERENCIA
1.1 EFECTO INVERNADERO
“La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas”1, esta energía que incide sobre la tierra se distribuye a lo largo de su recorrido, entre la atmósfera, tierra y océano, una aproximación de la distribución de la radiación solar, según el IDEAM2, es la siguiente:
De la radiación total incidente (173.000Teravatios) el 30% es reflejado al espacio exterior. La mayor parte del 70% restante calienta la superficie terrestre, la atmósfera y los océanos (47%) o se absorbe en la evaporación de agua (23%). Relativamente, muy poca energía es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosíntesis. En realidad prácticamente toda la energía es radiada al espacio exterior en forma de radiación infrarroja.
La radiación solar entra a la atmósfera terrestre, con longitudes de ondas electromagnéticas entre un intervalo espectral comprendido entre 0,15 y 4,0 µm y se denomina radiación de onda corta, esta energía que incide sobre la superficie de la Tierra es emitida de nuevo hacia la atmósfera como radiación en longitud de onda larga (radiación Infrarroja). A su salida las ondas infrarrojas son absorbidas por los gases atmosféricos aumentando su temperatura; “La absorción de energía por un determinado gas tiene lugar cuando la frecuencia de la radiación electromagnética es similar a la frecuencia vibracional molecular del gas. Cuando un gas absorbe energía, esta se transforma en movimiento molecular interno que produce un aumento de temperatura”3 Esta absorción por los gases, calienta la atmósfera estimulándolos a emitir radiación de onda más larga, ésta es liberada al espacio e irradiada nuevamente a la superficie de la Tierra, como lo muestra la Figura 1. El IPCC en el Tercer Informe de Evaluación de Cambio Climático, 2001, menciona que “para la media anual y para la Tierra en su conjunto, la energía de la radiación solar que ingresa se equilibra aproximadamente con la radiación terrestre saliente”
1 Academia Colombia de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Inventario preliminar de gases efecto invernadero: Colombia 1990, Bogotá: Agencia de Cooperación Técnica Alemana al Desarrollo (GTZ), 1990, p.5.),
2 IDEAM. Radiación [en línea], BENAVIDES BALLESTEROS, Henry y LEÓN ARISTIZABAL, Gloria Esperanza, Bogotá,[citado 7 de Junio 2009],disponible en internet en: http://www.ideam.gov.co/radiacion.htm#.
3 BENAVIDES BALLESTEROS, Henry y LEÓN ARISTIZABAL, Gloria Esperanza. Op. cit., p.25
Figura 1. Efecto Invernadero Natural
Fuente. UNEP- GRID, Arendal
1.1.1 Gases efecto invernadero. Algunos gases de la atmósfera, como el vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y ozono troposférico, entre otros, tienen la propiedad de retener parte de la energía emitida con radiación de onda larga (infrarroja) que la Tierra debería emitir al espacio, denominados Gases Efecto Invernadero (GEI). La Convención Marco de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (CMCC) los define como: “Aquellos componentes gaseosos de la atmósfera, tanto naturales como antropógenos, que absorben y reemiten radiación infrarroja” 4.
Los GEI pueden ser generados naturalmente o como resultado de actividades humanas, el IDEAM los describe así:
Los principales gases que surgen naturalmente son: vapor de agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2), el óxido nitroso (N2O), el metano (CH4) y el ozono (O3). Hay además en la atmósfera una serie de GEI creados íntegramente por el ser humano, como los halocarbonos y otras sustancias con contenido de flúor, cloro y bromo, regulados por el Protocolo de Montreal como el hexafluoruro de azufre (SF6), los hidrofluorocarbonos (HFC) y los perfluorocarbonos (PFC). 5
4 ONU. Convención Marco de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, New York, 1992. p.4.
5 BENAVIDES BALLESTEROS, Henry y LEÓN ARISTIZABAL, Gloria Esperanza. Op. cit., p.4.
Se consideran GEI directos, el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso y los compuestos halogenados, debido a que estos se emiten directamente a la atmósfera.
“Otros GEI son producto de reacciones fotoquímicas, en las que participan sustancias precursoras, denominados gases precursores del ozono, como el monóxido de carbono (CO), los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles diferentes al metano (COVDM), que en presencia de la luz solar contribuyen a la formación de ozono (O3) en la tropósfera”6.
Los gases efecto invernadero que son cuantificados en el presente trabajo son el dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y monóxido de carbono.
• Dióxido de Carbono (CO2). Es considerado el GEI más importante, debido al papel que desempeña en el sistema atmósfera-océano-tierra y el efecto que tiene sobre los cambios en los balances energéticos de la Tierra, además tiene un tiempo de permanencia en el sistema climático relativamente largo, del orden de un siglo o más, así como lo afirma el IPCC7, “Si se mantuvieran las emisiones antropógenas globales netas (es decir, las fuentes antropógenas menos los sumideros antropógenos) en los niveles actuales se llegaría a una tasa casi constante de aumento de las concentraciones, atmosféricas durante dos siglos”, otra de las razones por las cuales es considerado el GEI mas importante.
Este gas juega un rol primordial en los procesos biológicos del ciclo del carbono, se encuentra principalmente en el aire y en agua, se puede originar naturalmente o en fuentes antropogénicas. Algunas de las actividades antropógenas que emiten dióxido de carbono son el consumo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y sus derivados y gas natural) y leña para generar energía, en la tala de bosques y en algunos procesos industriales, como la producción de cemento o la fermentación para producir alcohol.
Las estadísticas mundiales señalan que “entre 1970 y 2004, sus emisiones anuales han aumentado en aproximadamente un 80%, pasando de 21 a 38 gigatoneladas (Gt) y en 2004 representaban un 77% de las emisiones totales de GEI antropógenos”8, este aumento se atribuye principalmente al consumo de combustibles fósiles y a la deforestación. (Ver Figura 2)
• Metano (CH4). El metano es un GEI que procede de fuentes tanto naturales (por ejemplo en humedales, la descomposición de estiércol animal o la fermentación
6 Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Orientación General / PANEL INTERGUBERNAMENTAL DE EXPERTOS SOBRE EL CAMBIO CLIMATICO.(IPCC). Vol.7, p.7.4.
7 IPCC.IPCC-Segunda evaluación Cambio Climático 1995, En: Síntesis Del Segundo Informe De Evaluación Del IPCC Sobre La Información Científica Y Técnica Pertinente Para Interpretar El Artículo 2 De La Convención Marco De Las Naciones Unidas Sobre El Cambio Climático,1995, p.9.
8 IPCC. Cambio Climático 2007 Informe de Síntesis: Contribución de los Grupos de trabajo I, II y III al Cuarto Informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, Ginebra, Suiza, 2007, p.36.
entérica en el proceso digestivo de animales herbívoros), como antropógenas (por ejemplo, en el uso de combustible fósil, en el cultivo de arroz bajo riego, las quemas de pre-cosecha o de residuos agrícolas, la disposición de residuos sólidos, la industria del gas natural y el tratamiento anaerobio de aguas residuales).
El IPCC declara en su cuarto informe9: “La concentración de CH4 en la atmósfera mundial ha aumentado, respecto de un valor preindustrial de aproximadamente 715 ppmm*, hasta 1732 ppmm a comienzos de los años 90, alcanzando en 2005 las 1774 ppmm. Las tasas de crecimiento han disminuido desde el comienzo de los años 90, en concordancia con las emisiones totales (suma de fuentes antropógenas y naturales), que fueron casi constantes durante ese período”;(Ver Figura 2) sin embargo el metano es considerado el segundo GEI mas importante debido a su contribución al forzamiento radiativo.
Figura 2. Emisiones de GEI antropogénicos9
Fuente: IPCC, Informe de Evaluación del Cambio Climático, 2007.
a) Emisiones anuales mundiales de GEI antropógenos entre 1970 y 2004
b) Grafico circular que representan diferentes GEI antropógenos respecto de las emisiones totales en 2004, en términos de CO2 equivalente.
c) Grafico circular que representa diferentes sectores en las emisiones totales de GEI antropógenos en 2004, en términos de CO2 equivalente. (En el sector silvicultura se incluye la deforestación).
9 IPCC. Cambio Climático 2007, Op. cit., p.37
* Coeficiente de mezclado (como indicador de la concentración de GEI): partes por 1000 millones por unidad de volumen.
• Óxido Nitroso (N2O). “El óxido nitroso, cuyas fuentes son de carácter natural y antropogénico, contribuye con cerca del 6% del forzamiento del efecto invernadero”10, según el IPCC 199711, tiene un periodo de vida largo entre 100 y 150 años. Es eliminado de la tropósfera (donde actúa como GEI) mediante el intercambio con la estratósfera, donde es destruido lentamente por la descomposición fotoquímica.
Sus fuentes incluyen los océanos, la quema de combustibles fósiles, de biomasa y las actividades agrícolas. Las emisiones generadas por suelos agrícolas se consideran las más relevantes por su gran aporte de N2O, se deben principalmente a los procesos microbiológicos de nitrificación y desnitrificación12 del suelo. Se pueden distinguir dos tipos de emisiones: Las directas (es decir, directamente de los suelos a los que se agrega o libera el N) y las indirectas que pueden ocurrir de dos formas la primera a partir de la volatilización de NH3 y NOx de suelos gestionados y del uso de combustible fósil y quemado de biomasa, y la subsiguiente redeposición de estos gases y sus productos NH4+ y NO3- en suelos y aguas; y la segunda, después de la lixiviación y el escurrimiento del N, principalmente como NO3-, de suelos gestionados.
Debido a las actividades antropogénicas, la concentración de óxido nitroso en la atmósfera ha aumentado notablemente, según el IPCC en su cuarto informe de evaluación13, la concentración mundial de N2O en la atmósfera aumentó respecto de los valores preindustriales, pasando de aproximadamente 270 *ppmm a 319 ppmm en 2005. (Ver Figura 2)
• Monóxido de Carbono (CO) Este gas es considerado un GEI precursor del ozono. El monóxido de carbono en la tropósfera, es un oxidante de compuestos de carbono, nitrógeno y azufre, este gas es el principal sumidero de radicales hidroxilo (OH), influencia que afecta indirectamente la formación de otros GEI como el metano y el ozono troposférico.
Principalmente la generación de monóxido de carbono antropogénico, ocurre en la combustión incompleta de combustible fósil o biomasa y depende del tipo de motor, tipo de combustible y condiciones de combustión. “Los cálculos
10 BENAVIDES BALLESTEROS, Henry y LEÓN ARISTIZABAL, Gloria Esperanza. Op. cit., p.39
11 IPCC. Estabilización De Los Gases atmosféricos De Efecto Invernadero: Implicaciones Físicas, Biológicas Y Socioeconómica. Grupo técnico III Febrero de 1997, p. 13-14.
* Coeficiente de mezclado (como indicador de la concentración de GEI): partes por 1000 millones por unidad de volumen.
12 La nitrificación es la oxidación microbiana aeróbica del amonio en nitrato y la desnitrificación es la reducción microbiana anaeróbica del nitrato en gas de nitrógeno (N2). El óxido nitroso es un producto intermedio gaseoso en la secuencia de reacción de la desnitrificación y un producto derivado de la nitrificación que se fuga de las células microbianas al suelo y, en última instancia, a la atmósfera. IPCC. Tercer Informe de Evaluación de Cambio Climático, 2001: La Base Científica- Resumen para responsables de políticas y resumen técnico, Shanghái, 2001, p.37.
13 IPCC. Cambio Climático 2007, Op. cit., p.37
modelizados indican que la emisión de 100 Mt de CO es equivalente, (…) a la emisión de alrededor de 5 Mt de CH4”14. Además se estima que el monóxido de carbono en el hemisferio norte, es alrededor del doble que en el hemisferio sur y ha aumentado en la segunda mitad del siglo XX, junto con la industrialización y la población.
Generalmente las emisiones de GEI se expresan en unidades de CO2 equivalente (CO2
eq), que es la cantidad de emisión de dióxido de carbono que ocasionaría, el mismo forzamiento radiativo a lo largo del tiempo, que una cantidad de GEI de larga permanencia o una mezcla de los mismos durante un horizonte de tiempo. Para un GEI, las emisiones de CO2 equivalente, se obtienen multiplicando la cantidad de GEI emitida por su potencial de calentamiento mundial (PCM) para un horizonte temporal dado.
Los PCM son un índice para calcular la contribución al calentamiento mundial relativo debido a la emisión en la atmósfera de un kilogramo de un gas efecto invernadero, comparado con la emisión de un kilogramo de dióxido de carbono. Los PCM calculados para diferentes horizontes temporales muestran los efectos de los períodos de vida en la atmósfera de los diferentes gases. La Tabla 1 muestra los PCM de los GEI cuantificados en este estudio.
Tabla 1. Potenciales de Calentamiento Mundial GASES EFECTO
INVERNADERO
POTENCIAL DE CALENTAMIENTO MUNDIAL (Horizonte Temporal en años)
20 100 500
DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) 1 1 1
METANO (CH4) 72 25 7,6
ÓXIDO NITROSO (N2O) 289 298 153
MONÓXIDO DE CARBONO (CO) ‐ 1,9 ‐
Fuente: Fourth Assessment Report of the IPCC, 200715.
1.1.2 Inventarios de GEI. El aumento en la concentración de GEI se manifiesta en cambios en la temperatura y en los fenómenos climáticos de la tierra, lo que ha generado respuestas internacionales enmarcadas en instrumentos jurídicos, como la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático (CMCC) en 1992, el Protocolo de Kyoto en 1997 y el Convenio de Viena en el 2001. Todos con el propósito de disminuir las concentraciones de GEI emitidas a la atmósfera.
14 Forster, P., V. Ramaswamy, P. Artaxo, T. Berntsen, R. Betts, D.W. Fahey, J. Haywood, J. Lean, D.C. Lowe, G. Myhre, J.
Nganga, R. Prinn, G. Raga, M. Schulz and R. Van Dorland, 2007: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B.
Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2007, p.211-214
En los artículos 4 y 12 de la CMCC se establece que las partes teniendo en cuenta sus responsabilidades comunes pero diferenciadas y el carácter específico de sus prioridades nacionales y regionales de desarrollo, de sus objetivos y de sus circunstancias, deberán elaborar, actualizar periódicamente, publicar y facilitar a la Conferencia de las Partes, inventarios nacionales de las emisiones antropógenas por las fuentes y de la absorción por los sumideros de todos los gases de efecto invernadero no controlados por el Protocolo de Montreal, utilizando metodologías comparables. Para tal fin, se cuenta con las directrices del Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC) para inventarios nacionales, actualizada en el año 2006.
La elaboración de inventarios de GEI permite a los países identificar las principales fuentes generadoras de estos gases y adoptar políticas nacionales para establecer medidas de mitigación del cambio climático, limitando las emisiones antropógenas de GEI y protegiendo y mejorando los sumideros y depósitos. Además los inventarios se utilizan para el análisis de información científica, técnica y socioeconómica con el fin de entender el riesgo que supone el cambio climático provocado por las actividades humanas, sus posibles repercusiones y las posibilidades de adaptación y atenuación del mismo.
Uno de los análisis presentados en el cuarto informe del IPCC, declara que desde el año 1970 hasta el 2004 se ha observado un aumento del 70% en las emisiones mundiales de GEI causadas por las actividades humanas, el dióxido de carbono es el GEI con mayor contribución a lo largo de los años, en el año 2004 representó el 76.7% de las emisiones totales de GEI antropógenas, de las cuales el uso de combustibles de origen fósil es responsable de la mayoría de estas; el metano contribuye con 14.3 % y el óxido nitroso con 7.9% de las emisiones totales de GEI antropógenos16.
En la segunda comunicación nacional publicada en el 2009, la emisión neta de CO2 eq para el año 2004 fue de 180.010,57 Gigagramos, que representa el 0,37 % de la emisión mundial (49 Gigatoneladas) para este año17. Con referencia al peso o representatividad del aporte de cada uno de los gases de efecto invernadero (GEI), alrededor del 99% de las emisiones colombianas, en unidades de CO2 equivalentes, se componen de dióxido de carbono (50%), metano (30%) y óxido nitroso (19%); quedando el 1% para el resto de gases que causan efecto de invernadero y que no están dentro del Protocolo de Montreal (halocarbonos y hexafluoruro de azufre).
1.2 BIOCOMBUSTIBLESLos mayores aportes de GEI, se presentan en la producción de energía y transporte, la cual ha tenido especial atención y estudio, con el fin de encontrar soluciones a la generación de GEI, donde se consideran los mecanismos de desarrollo limpio (MDL), entre ellos cambios de tecnologías y combustibles limpios que
16 Ibid. p.211-214.
17 PROGRAMA DE LAS NACIONES UNIDAS PARA EL DESARROLLO (PNUD), MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL (MAVDT) y INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES DE COLOMBIA (IDEAM). Inventario Nacional de Fuentes y Sumideros de Gases de Efecto Invernadero 2000-2004, Bogotá, Octubre de 2009. p.23-29.
mitiguen el cambio climático. En los últimos años, se han desarrollado programas para reducir las emisiones GEI que promueven la innovación en tecnología tales como: energía eólica, energía geotérmica, vehículos híbridos (energía eléctrica y combustible), vehículos eléctricos (energía eléctrica) y vehículos de hidrogeno (hidrogeno diatómico), entre otros y el uso de biocombustibles.
“Como biocombustible se entiende cualquier tipo de combustible líquido, sólido o gaseoso, proveniente de la biomasa (materia orgánica de origen animal o vegetal). Este término incluye alcohol etílico o etanol, metanol, biodiesel, diesel fabricado mediante el proceso químico de Fischer - Tropsch y combustibles gaseosos tales como hidrógeno y metano”18 Existen diferentes tipos de biocombustibles como lo muestra la Figura 3. En Colombia, el programa de biocombustibles, promueve la producción y masificación del uso de biocombustibles, especialmente el biodiesel y el bioetanol.
Figura 3. Tipos de combustibles obtenidos de biomasa.
Gaseosos
Biogás (CH4y CO2)
Biopropano
Gas de síntesis
Líquidos
Bioetanol (Alcohol carburante)
Biodiesel
Aceites vegetales y ésteres derivados de
ellos.
Aceites de pirolisis
Sólidos
Paja
Leña sin procesar
Astillas
Triturados finos
Carbón vegetal
Biodiesel: “es un combustible sustituto del combustible para motores diesel, que puede ser producido partiendo de materias primas agrícolas (aceites vegetales y/o grasas animales), aceites o grasas de fritura usados y metanol o etanol (estos también pueden ser obtenidos a partir de productos agrícolas)”19 y que se distribuye actualmente en todo el territorio Colombiano.
18 MINISTERIO DE AGRICULTURA Y DESARROLLO RURAL. Estrategias de desarrollo de biocombustibles: Implicaciones para el sector agropecuario, Bogotá D.C. (Septiembre de 2006); p.1.
19 MINISTERIO DE AGRICULTURA Y DESARROLLO RURAL. Estrategias de desarrollo de biocombustibles: Implicaciones para el sector agropecuario, Bogotá D.C. (Septiembre de 2006); p.5.
Bioetanol: según la resolución 180158 de 200720, el alcohol carburante y/o etanol anhidro desnaturalizado es un compuesto orgánico líquido, de naturaleza diferente a los hidrocarburos, que tiene en su molécula un grupo hidroxilo (OH) enlazado a un átomo de carbono, que puede producirse de los vegetales que contienen sacarosa (remolacha, caña de azúcar, etc.) o almidón (trigo, maíz, etc.) y al cual se le agrega una sustancia desnaturalizante para convertirlo en no potable y con un contenido de agua menor al 0.7%
en volumen por lo que es conocido también como alcohol anhidro o alcohol carburante. La norma colombiana NTC 530821, lo define como etanol anhidro obtenido a partir de la biomasa, con un contenido de agua inferior a 0.7% en volumen. La obtención de bioetanol se hace a través de tres procesos diferentes dependiendo de la materia prima que se utilice para este fin, como se detalla a continuación:
Tabla 2. Procesos de obtención de bioetanol
PROCESO DESCRIPCIÓN MATERIA PRIMA
FERMENTACION ALCOHÓLICA
Proceso catabólico de oxidación incompleta de los compuestos orgánicos en ausencia de aire (oxígeno O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico.
Para la obtención de alcohol carburante, se acompaña este proceso de destilación y secado.
CAÑA DE AZÚCAR Y REMOLACHA AZUCARERA
SEGREGACIÓN MOLECULAR
Proceso en el que se fragmenta la biomasa separando las proteínas del almidón de los demás compuestos de la materia prima, para que después de convertido en azúcar fermentable sea expuesto al proceso de fermentación alcohólica y se obtenga el alcohol carburante.
YUCA, MAÍZ Y PAPA.
20 MINISTERIOS DE MINAS Y ENERGÍA, DE LA PROTECCIÓN SOCIAL Y DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Resolución 180158 de 2007, Bogotá D.C., Articulo 2.
21 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION (ICONTEC). Etanol anhidro combustible desnaturalizado obtenido a partir de biomasa, para mezclar con gasolinas motor, empleado como combustible en vehículos con motores de combustión interna de encendido de chispa (NTC 5308), Bogotá, 2004.
PROCESO DESCRIPCIÓN MATERIA PRIMA
HIDRÓLISIS DE CELULOSA
Tratamiento térmico con vapor, en donde la temperatura es lo suficientemente elevada para forzar termodinámicamente la disociación del agua líquida creando un medio ácido que supera las barreras energéticas de la hidrólisis y se produce una auto‐hidrólisis que rompe el polímero de la hicelulosa. Luego se procede con una despresurización del material por medio de una evaporación súbita del agua capilar, que tiene el efecto mecánico de desagregar y romper algunas fibras. Una vez finalizada la etapa de pretratamiento se recoge el material y se filtra separando la fracción líquida de la sólida para seguir con el proceso de fermentación alcohólica.
CUALQUIER MATERIA QUE CONTENGA CELULOSA,(DESE CHOS O
RESIDUOS AGRÍCOLAS )
Fuente: Las Autoras. Información adaptada de http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes /arauca/87061/docs/C8_L2.htm
1.2.1 Ciclo de Vida del Bioetanol. El término “ciclo de vida” se refiere a las actividades principales de la vida útil de un producto, desde su manufactura incluyendo la adquisición de materia prima requerida, uso y mantenimiento hasta su disposición final.22 La Figura 4 muestra las etapas típicas del ciclo de vida de un producto, según la EPA.
Figura 4. Etapas del ciclo de vida de un producto.
Adaptado de: ENVIRONMENTAL PROTETION AGENCY (EPA): Life Cycle Assessment: Inventory Guidelines and Principles, United States Environmental Protection Agency, 2006, p.1.
22 ENVIRONMENTAL PROTETION AGENCY (EPA): Life Cycle Assessment: Inventory Guidelines and Principles, United States Environmental Protection Agency, 2006, p.1.
Análisis de ciclo de vida: Según la norma ISO 14040, el Análisis del Ciclo de Vida (ACV) es una técnica para la evaluación sistemática de los aspectos e impactos ambientales asociados a un producto en todas las etapas de su ciclo de vida (es decir desde la cuna a la tumba)23, se efectúa recopilando un inventario de las entradas y salidas relevantes del sistema, previa identificación de los límites del mismo; evaluando los impactos ambientales potenciales asociados a esas entradas y salidas e interpretando los resultados de las fases del inventario e impacto en relación con los objetivos del estudio.
Para el análisis de ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar en términos de GEI, es necesario tener en cuenta todas las etapas que intervienen desde el cultivo hasta el uso del producto final. (Ver Figura 5).
Figura 5. Ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar.
Fuente: Las Autoras.
23 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION (ICONTEC). Gestión ambiental. Análisis de ciclo de vida. Principios y marco de referencia (NTC 14040), Bogotá, 2006.
A continuación se explican de manera general las etapas del ciclo de vida del bioetanol, anteriormente mencionadas.
• Cultivo. El proceso productivo se inicia con la preparación del terreno con el fin de hacer más eficiente el riego, mejorar el drenaje superficial y facilitar el transporte de la caña durante la cosecha. Las labores de cultivo que se realizan en el Valle del Cauca son subsolación, arada con cincel, rastrillada, surcado, siembra, aplicación de riego y fertilizantes.
La subsolación es una actividad que consiste en fracturar el suelo hasta una profundidad de 60 cm, con el fin de destruir las capas compactadas o impermeables y de esta manera, mejorar la estructura y facilitar el movimiento del aire y agua. Se realiza por medio de un implemento llamado subsolador recto o curvo acoplado a un tractor con una demanda de potencia entre 200 y 375 hp24. Generalmente en esta labor se hacen dos recorridos o pases por el terreno, uno en dirección de la siembra y otro perpendicular a ella.
El arado con cincel, se realiza después del segundo pase de subsolado, tiene como objetivo fracturar y voltear el suelo hasta una profundidad entre 30 y 40 cm25, con el fin de favorecer la distribución de los agregados y nutrientes, esta labor se realiza en un solo pase perpendicular a la dirección de los surcos y con un implemento llamado rastro arado o arado tipo cincel, acoplado a un tractor enllantado que demanda una potencia de 150 a 250 hp.
Después del arado del suelo, se realiza la rastrillada con el fin de destruir los terrones resultantes de las labores anteriormente mencionadas y garantizar el contacto entre la semilla y los nutrientes del suelo, comúnmente se realiza con rastrillos de tiro con discos, operados con tractores de potencia de 120 a 475 hp y dos pases, uno en dirección del surco y otro perpendicular a él.
Después de realizadas estas labores el terreno está preparado para el surcado donde se elaboran los surcos y se coloca la semilla o material vegetativo de siembra. El surcado se ejecuta con un surcador acoplado a un tractor con un requerimiento de potencia entre 120 a 150 hp y doble tracción, generalmente los surcos se labran entre 1,5 a 1,8 metros de distancia entre surcos y se realizan dos pases, el primero perpendicular a la dirección de la siembra y el segundo en dirección de la siembra26.
24 RODRÍGUEZ, Carlos, A., y DAZA, Oscar H. El Cultivo de la Caña de Azúcar en la Zona Azucarera de Colombia:
Preparación de Suelos, CENICAÑA, Cali, 1995. p.111.
25 Ibíd., p.112.
26 Ibíd., p.113.
La siembra, es una labor que consiste en la deposición en los surcos de trozos de tallo de 60 cm de largo, con dos a tres yemas sanas (semilleros), para luego taparlos manual o mecánicamente con una capa de suelo de 5 cm de espesor, lo que se denomina aporque. Sin embargo en el desarrollo vegetativo de la planta las semillas que no germinaron son extraídas del surco y resembradas de nuevo, labor que se denomina resiembra y las plantas ya germinadas que no presentan un buen desarrollo también son extraídas y replantadas, labor denominada replante.
Generalmente el riego del cultivo se hace por medio de sistemas superficiales por surcos, ventanas o por aspersión. La caña se riega en sus primeras etapas cada 15 o 20 días y después de establecido el cultivo se amplía la frecuencia a 30 días27. Además en el desarrollo de la planta es frecuente encontrar malezas y plagas, que se controlan con el uso de herbicidas y plaguicidas o actividades culturales que lo sustituyan.
En cultivos de caña de azúcar del Valle del Cauca es común la aplicación de madurantes (Glifosato) 2 o 3 meses antes de la cosecha28, que potencializan el almacenamiento de sacarosa en la planta, logrando la máxima acumulación de azúcar, sin embargo el contenido de sacarosa en la planta depende de factores ambientales y características propias de la variedad cultivada.
• Cosecha. La caña se cosecha aproximadamente a los doce meses de edad, uno o dos meses antes29 se aplica al cultivo un agente denominado madurador, que se encarga de “disminuir el ritmo de crecimiento de la planta, acortar el periodo vegetativo de la misma y a la vez acelerar la concentración de sacarosa”30, dicha práctica se realiza mediante fumigación aérea.
Cuando el contenido de sacarosa es óptimo, se realiza la quema programada de la caña de azúcar (en algunos casos), según la Resolución 532 de 200531, las quemas abiertas controladas y programadas de cultivos agrícolas, se realizan cumpliendo las distancias mínimas a áreas rurales, aeropuertos, vías principales, corregimientos, subestaciones eléctricas, etc.
27 RAMOS RODRÍGUEZ, Aulio Alberto. Fabricación de Azúcar de Caña en el Ingenio Providencia S.A. Departamento de Elaboración I.P.S.A, Cali, 2005. p.2.
28 Ibíd., p.3.
29 MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE, SOCIEDAD DE AGRICULTORES DE COLOMBIA, ASOCAÑA. Guía ambiental para el cultivo de caña de azúcar versión final, Bogotá D.C., 2002. p.5.
30 Ibíd., p.5.
31 MINISTERIO DE AMBIENTE VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Resolución Numero 532 del 26 de Abril de 2005, Bogotá D.C., Articulo 4.
El corte se puede realizar de dos maneras, mecánico o manual. En el corte mecánico se utilizan maquinas cortadoras, llamadas cosechadoras las cuales aportan 1000 toneladas diarias de caña y se puede realizar en verde (sin quema) o después de la quema. El corte manual se realiza generalmente después de la quema programada del cultivo, sin embargo se ha implantado el corte manual en verde en algunas zonas.
El corte de caña se realiza manualmente por parte de corteros que utilizan dos pases, uno para cortar la base de la caña y otro para cortar el cogollo, esta etapa también puede realizarse mecánicamente. Finalmente la caña es colocada en montones alineados para ser alzada posteriormente por alzadoras mecánicas, es el proceso siguiente denominado “alce”.
La caña cortada manual o mecánicamente se carga en vagones de tractomulas o carros cañeros mediante el uso de alzadoras mecánicas, para ser transportada hacia el lugar de almacenamiento en la fábrica. La guía ambiental para el subsector de la caña de azúcar32 recomienda que el tiempo que transcurra entre quema, corte y fábrica sea menor a 36 horas para evitar pérdidas de sacarosa en la planta.
• Proceso Industrial: En el proceso industrial del Ingenio Providencia S.A. se llevan a cabo las actividades de preparación, clarificación, cristalización y destilación, las cuales se explican detalladamente a continuación:
En la preparación la caña que llega del campo se muestrea con el propósito de conocer la calidad, contenido de sacarosa, fibra y nivel de impurezas, luego se pesa y se almacena para ser llevada al proceso de molienda. Es común que antes de pasar por este proceso, se hagan lavados en seco para retirar hojas y partículas adheridas y se abra la fibra de la caña por medios mecánicos, con el fin de facilitar la posterior extracción del jugo.
La caña preparada llega al molino donde se le extrae el jugo a través de un proceso físico de presión, en donde actúan una serie de molinos, cada uno de los cuales está compuesto por tres o cuatro masas metálicas donde se macera la caña, en este proceso se procura obtener la mayor cantidad de sacarosa de la caña recirculando el jugo extraído de un molino a otro y mediante el uso de agua de imbibición*. El bagazo resultante se conduce a almacenamiento para ser utilizado como combustible o para ser vendido a la industria papelera.
32 Ibíd., p.6.
