Balances de Energía en el proceso de producción de biodiesel
Los balances energéticos por producto son una de las herramientas principales a tener en cuenta en los análisis de ciclo de vida de cada tipo de vector bioenergético. Dada la importancia y desarrollo del sector de transformación de aceites en biodiesel Argentino y su impacto en los mercados internacionales se consideró prioritario ajustar los valores de bibliografía internacional empleados en anteriores estudios “Balance Energético de los cultivos potenciales para la producción de biocombustibles” (Donato et al 2008) y continuar con el aporte de herramientas para estudios de factibilidad, desde el punto de vista energético, de las diferentes materias primas para la producción de biodiesel.
Se hace especial énfasis en la etapa de transformación de la materia prima (grano) a producto final (biodiesel) mediante encuesta elaborada por miembros de la cámara de empresas productoras de biodiesel (CARBIO) y organismos del estado (SAGPyA, INTA); La misma fue completada por empresas dedicadas a la extracción de aceite y producción de biodiesel, pudiéndose recabar la información requerida a los fines de este informe. Se realizaron análisis de consistencia y balances, de forma de verificar homogeneidad en los valores. Es importante destacar que los datos relevados no involucran pequeñas y medianas empresas. En lo que respecta a la producción de aceite, la capacidad supera las 96.500 Tn/mes, y en biodiesel las 9.000 Tn/mes
En lo que respecta al presente informe, sólo se realizará el análisis del Input/Output de energía, en función de los balances de masas y energías realizadas en las empresas en cuestión. El mismo deberá ser actualizado a medida que se releven una mayor cantidad de datos, y completado con el balance de gases de efecto invernadero.
Utilizando la base de datos del Software GREET 1 Version 1.8c.0 1999, se tomaron los indicadores energéticos aportados por el programa, en el proceso de transformación de semilla de soja a biodiesel. En el siguiente cuadro se presentan los valores de referencia utilizados para los cálculos desarrollados: Cuadro Nº 1 – Indicadores energéticos para materia prima e insumos del proceso de producción de biodiesel
Producto
Valor
energético
Comentarios
Fuente de
Referencia
Glicerina 4073 Kcal/kgEl valor corresponde a la cantidad de energía necesaria para producir un kg de glicerina a través del proceso
convencional, utilizando cloro, hidróxido de sodio y propileno. Desprecia los valores de consumo energético del proceso (induce a que son pequeños) y agrega además los valores energéticos de los insumos obtenidos de Eco-Profile life-cycle inventory
Harina de Soja
574.44 Kcal/Kg
Obtiene este valor a partir del contenido de proteínas que posee la harina de soja y el equivalente energético de la proteína.
• GREET 1.8 • U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. 2008. 101 p.
Cáscara soja 3600
Kcal/kg
Poder calorífico de cáscara de girasol y soja realizadas en
calderas para tal fin (gentileza del sector industrial aceitero) • Comunicación personal
Hexano 981.66
Kcal/kg
Valor obtenido del proceso de extracción de aceite por solvente, del balance de masas: 11,9 kg de hexano/1000 kg de aceite. Este valor se relaciona con el obtenido del análisis de ciclo de vida de obtención de hexano, para el cual establece que la energía fósil consumida es de 48.83 Kj/kg de aceite de soja (refiere a este valor).
Metanol 7754.87
Kcal/kg
El estudio de referencia informa que el metanol aporta 2.9015 MJ de energía por cada kg de biodiesel producido, y que se consumen 89.51 kg de MeOH/Tn de biodiesel Hidróxido de
Sodio
359.54 Kcal/kg
El estudio de referencia informa que el hidróxido de sodio aporta 0.03607 MJ de energía por cada kg de biodiesel producido y que se consumen 24.00 Kg Na(OH)/Tn Biodiesel El estudio de referencia informa que el metanol aporta 0.763
• GREET 1.8
• Sheehan J., Camobreco V., Duffield J., “Life-Cycle Inventory of Biodiesel and Petroleum Diesel for Use in an Urban Bus”. U.S. Department of Energy, Office of Fuels
Sodio Kcal/Kg MJ de energía por cada kg de biodiesel producido, y que se consumen 24.06 Kg MeONa/Tn Biodiesel
Ácido Clorhídrico
398.98 Kcal/Kg
El estudio de referencia informa que el ácido clorhídrico aporta 0.126 MJ de energía por cada kg de biodiesel producido, y que se consumen 75.43 Kg Hcl/Tn Biodiesel 305.18
Kcal/kg
Corresponde a la cantidad de Kcal de energía fósil existente en el vapor utilizado, por cada kg de aceite obtenido. Vapor
350 Kcal/kg Corresponde a la cantidad de Kcal de energía fósil existente en el vapor utilizado, por cada kg de biodiesel procesado.
Semilla de soja
635.37 Kcal/kg
El indicador energético corresponde a la soja de 1º en SD, para el norte de la provincia de Buenos Aires y Sur de la provincia de Santa Fe. El mismo se obtiene de sumar 125,14 Kcal/kg en energía directa (labores y traslado a acopio); 448,63 (aplicaciones de agroquímicos y fertilizantes) y 61,6 Kcal/kg (Transporte a planta aceitera)
• Donato L. “Estimación del consumo potencial de gasoil para las tareas agrícolas, transporte y secado de granos en el sector agropecuario” IX Congreso Argentino de Ingeniería Rural y I del Mercosur. CADIR 2007
Ácido Fosfórico
1961.72 Kcal/kg
Valor correspondiente al consumo energético para la obtención de 1 kg de ácido fosfórico
• Almeida Neto y otros “Balances energéticos de esteres metílicos y etílicos a partir del aceite de mamona” En Congreso Brasilero de Mamona. (et al 2004). 7 p.
Nitrógeno 13662.6
Kcal/kg
Se utiliza el valor referenciado por GREET. Se toma como densidad 0.85 kg/m3 (densidad a 273 K y 1 atm). Se debería conocer valores de consumo de energía en el proceso de producción de nitrógeno a través de la destilación de aire líquido para poder contrastar este valor
• GREET 8.1
Ácido Sulfúrico
472,5
Kcal/kg De la misma forma que los demás insumos. • GREET 8.1 P Tolueno
Sulfónico/Anti oxidantes
10295,3 Kcal/kg
Se utiliza el poder calorífico de los E-Diesel aditivos
reportados por la BDD GREET 8.1 • GREET 8.1
Agua
La cantidad de energía referida al agua se encuentra dentro del consumo energético de la planta (bombas, filtros, etc). Debería considerarse la energía necesaria para potabilizar el agua y realizar el tratamiento de los efluentes.
Es necesario aclarar que se tomaron aquellos datos referidos al consumo de energía fósil para la producción de un determinado insumo, obtenido del LCI de cada uno de estos. El LCI es un inventario de Ciclo de Vida en el cual se realiza una cuantificación del flujo de energía, materiales y emisiones al ambiente asociados a la generación de un determinado producto, teniendo en cuenta todos los ingresos y egresos del proceso desde extracción del material hasta la disposición final del producto. En el desarrollo de un balance energético, el consumo de energía fósil se obtiene de las fuentes no renovables de energía utilizadas en la producción de un determinado insumo. De esta forma, se puede tener una orientación sobre la característica de renovable o no del combustible en cuestión.
Al estudiarse en este informe únicamente la etapa industrial, se toma como materia prima el cultivo de soja de primera en siembra directa, sembrada y cosechada en la Pampa húmeda (Norte de Buenos Aires, Sur de Santa Fe) dado que esta es el area agroecológica que aporta el mayor volumen de grano a la producción de las plantas transformadoras del nucleo productivo Rosario Santa Fe. El indicador de energía utilizado en este caso fue extraído de la fuente mencionada anteriormente (Donato 2007). Mediante el siguiente diagrama se presentan las entradas y salidas del sistema, mostrando la totalidad de insumos y egresos relevados, pudiendo existir o no en su totalidad para cada caso específico. Se pueden visualizar dos etapas definidas: extracción de aceite y producción de biodiesel:
Diagrama Nº 1 – Proceso de producción de biodiesel
Entrada Salida
Hexano
Ácido sulfúrico Cáscaras
Agua Efluentes líquidos
Hidróxido de sodio Emisiones gaseosas
Resinas catiónicas Residuos sólidos
Energía eléctrica Vapor Alimentación animal Entrada Salida Metanol Nitrógeno Hidróxido de sodio
Metóxido de sodio Cáscaras
Ácido clorhídrico Efluentes líquidos
Ácido fosfórico Emisiones gaseosas
Antioxidantes Residuos sólidos
Ptolueno Sulfónico Trysil Energía eléctrica Vapor HARINAS Producción de biodiesel BIODIESEL GLICERINA SEMILLAS DE SOJA Extracción de aceite ACEITE
Mediante la siguiente ecuación es posible calcular la cantidad de energía que aporta un determinado insumo o materia prima al proceso.
)
/
(
)
/
(
EN
M
Consumo
M
MC
Indicador
Energía
=
×
Donde: EN = Unidades de energía por kilogramo de producto final M = masa de un determinado producto
MC = masa del combustible a obtener
De esta forma, se pueden relacionar los valores relevados por las encuestas (correspondientes al consumo) y los indicadores energéticos de las distintas bases de datos.
Se sugiere utilizar bases de datos actualizadas de forma de verificar actualización en los valores.
Balance de masas y energía
Tomando como valor de referencia la producción de 1 Tonelada de producto final (biodiesel o aceite), se presenta en el siguiente cuadro el balance de masas para el proceso de extracción de aceite y la producción de biodiesel.
Cuadro Nº 1 – Balance de masas para la producción de 1Tn de aceite Materia prima E1 E2 Tn Semillas/Tn aceite 5,143 5,181 Insumos M3 agua/Tn aceite 1,229 0,440 Kg Hexano/Tn aceite 2,000 5,855
Kg Hidróxido de sodio/Tn aceite 0,865
lts resinas catiódicas/Tn aceite 0,005
Productos
Aceite 1,000 1,000
Tn Harinas/Tn aceite 3,667 3,705
Tn Cáscaras/Tn aceite 0,310 0,337
Energía requerida
Energía Eléctrica Kwh/Tn Aceite 143,81 176,17
Vapor Tn/Tn Aceite 1,400 1,451
Efluentes, emisiones, residuos
Efluentes líquidos m3/Tn aceite 0,274 0,777
Gases m3/Tn aceite 0,686 1,803
Residuos Kg/Tn aceite 0,095 0,311
Cuadro Nº 2 – Balance de masas para la producción de 1Tn de biodiesel
Materia prima E1 E2 E3 E4
Aceite en tn/ Tn biodiesel 1,03 1,02 1,07 1,02
Insumos
Metanol en kg/ Tn biodiesel 95,500 98,000 96,344 98,900
Nitrógeno en m3/ tn Biodiesel 6,920 3,360 2,852 2,500
Acido Clorhídrico 32% en kg /tn Biodiesel 11,380 11,200 10,672 8,400 Soda Cáustica en kg / tn de Biodiesel 5,500 6,500 3,211 4,400 Metóxido de sodio en kg / tn de Biodiesel 16,500 16,300 16,304 17,000
Fosfórico en kg / tn de Biodiesel 1,320 4,400 0,450 0,800
Antioxidante en kg / tn de Biodiesel 1,520 2,000 1,877 2,160 Toluensulfónico en kg / tn de Biodiesel 0,250
Agua en m3 por tn de bio 0,150 0,640 0,180 0,300
Trysil en kg/ tn bio 3,063
Energía Consumida
energía eléctrica KWhr/ tn bio 30,020 25,380 27,964 55,800
vapor Tn/ tn bio 0,302 0,927 0,346 0,250
Productos
Biodiesel 1 1 1 1
Glicerina en Tn base húmeda/tn bio 0,121 0,108 0,122 0,117
Borras en Tn base seca por tn bio 0,025 0,010 0,032 0,020
Otras materias grasas en Tn/ Tn bio 0,004 0,032 0,005
Efluentes, emisiones, residuos
Efluentes líquidos en m3/ tn bio 0,104 0,000 0,002 1,200
Emisiones gaseosas en m3/ tn bio 73,335 29,600 1,423 0,000
Se presentan los balances de energía con la metodología descripta anteriormente. La energía generada es evaluada a partir del poder calorífico del biodiesel y de la energía perteneciente a los subproductos. En este caso, se utiliza el método de reemplazo, cuyo fundamento se centra en la energía necesaria para generar el subproducto a través de su proceso convencional de producción.
El balance de energía se representa en dos etapas. La cantidad de energía necesaria para generar el aceite (materia prima principal en el proceso de biodiesel) será el contenido energético que el mismo tenga en el momento de realizar el balance energético en la producción de biodiesel. Lo mismo sucede con las semillas de soja. Como se mencionó anteriormente, se partirá de la energía necesaria para generar 1 kg de semilla de soja de 1º en SD, cultivada en el norte de la provincia de Buenos Aires y Sur de la provincia de Santa Fe, contabilizando las etapas de labores (siembra, aplicaciones de agroquímicos y fertilizantes y cosecha), traslado a planta de acopio, acondicionamiento del grano y transporte a planta aceitera.
No se cuenta con indicadores relativos a insumos específicos de cada planta, como ser: resinas catiónicas y antioxidantes (en este último caso se utilizaron los valores de referencia de los aditivos). No obstante, en todos los casos estos insumos no son significativos en cuanto a la cantidad utilizada en el proceso. Notar que en el cuadro del proceso de producción de biodiesel se visualizará por separado la energía generada de la energía consumida. Tanto la harina como la cáscara son computadas como energía generada al final del proceso de producción de biodiesel.
En los siguientes cuadros se muestran los balances energéticos.
Cuadro Nº 3 – Balance de energía para la producción de 1kg de aceite Valores en MJ/kg aceite Insumo o Materia Prima
E1 E2 Semillas 13,659 13,761 Agua Hexano 0,008 0,024 Hidróxido de sodio 0,000 0,001 Resinas catiódicas Productos Aceite Harinas 8,804 8,895 Cáscaras 2,329 2,534 Energía Consumida Energía Eléctrica 0,309 0,379 Vapor 1,917 1,986
TOTAL (Energía consumida MJ/kg Aceite) 15,893 16,151
Al ser diferente el resultado en esta etapa del balance, se utiliza un valor medio aplicado al consumo de aceite de cada empresa de biodiesel en particular.
Cuadro Nº 4 – Balance de energía para la producción de 1kg de biodiesel Valores en MJ/kg biodiesel Insumo o Materia Prima
E1 E2 E3 E4 Aceite 16,487 16,342 17,069 16,349 Metanol 3,096 3,177 3,123 3,206 Nitrógeno 0,395 0,192 0,163 0,143 Acido Clorhídrico 32% 0,019 0,019 0,018 0,014 Soda Cáustica 0,008 0,010 0,005 0,007 Metóxido de sodio 0,523 0,517 0,517 0,539 Ácido Fosfórico 0,011 0,036 0,004 0,007 Antioxidante 0,065 0,086 0,081 0,093 Toluensulfónico 0,000 0,011 0,000 0,000 Agua Trysil Energía Consumida energía eléctrica 0,065 0,055 0,060 0,120 vapor 0,413 1,269 0,473 0,342 Productos Biodiesel 35 35 35 35 Glicerina 1,03 0,92 1,03 1,00
Borras en Tn base seca por tn bio
Otras materias grasas en Tn/ Tn bio
CONSUMO ENERGÍA POR KG DE
BIODIESEL GENERADO (MJ/kg) 21,082 21,713 21,513 20,819 ENERGÍA GENERADA POR KG DE
BIODIESEL GENERADO (MJ/kg) 47,310 47,201 47,316 47,277
ENERGÍA GENERADA /ENERGÍA
CONSUMIDA 2,244 2,174 2,199 2,271
Es importante destacar que:
• El consumo de combustible en la etapa industrial se encuentra entre los 7.058 y 8.054 MJ/kg de biodiesel.
• Del total de la energía consumida durante el proceso, aproximadamente el 65% corresponde a la etapa agrícola. En la etapa industrial, los principales insumos que aportan energía fósil son el metanol y el vapor, al ser ambos generados a partir de materias no renovables.
• En todos los casos el balance energético supera las 2 unidades de energía generadas por unidad de energía consumida. Esto puede variar en función de la materia prima utilizada y sus diferentes labores en la etapa agrícola.
• Tanto la harina de soja como la cáscara son computadas como energía generada al final del balance realizado al sistema (extracción de aceite + proceso de producción de biodiesel).
• No se encontraron datos sobre indicadores energéticos de: Borras, materias grasas, Trysil y resinas catiónicas.
• La energía necesaria para el tratamiento de residuos sólidos dependerá del destino final de los mismos. El consumo de energía para el agua como así también para el tratamiento de efluentes y emisiones se contabiliza a partir de la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de la planta. Bibliografía y fuentes consultadas:
• Software GREET 1 Version 1.8c.0 1999. UChicago Argonne, LLC
• Sheehan J., Camobreco V., Duffield J., “Life-Cycle Inventory of Biodiesel and Petroleum Diesel for Use in an Urban Bus”. U.S. Department of Energy, Office of Fuels Development. 1998. 314 p.
• Donato L. “Estimación del consumo potencial de gasoil para las tareas agrícolas, transporte y secado de granos en el sector agropecuario” IX Congreso Argentino de Ingeniería Rural y I del Mercosur. CADIR 2007
• Donato L., Huerga I “Balance energético de los cultivos potenciales para la producción de biocombustibles” Proyecto INTA-INTEA “Principales insumos para la producción de biocombustibles. Un análisis económico”
• Almeida Neto y otros “Balances energéticos de esteres metílicos y etílicos a partir del aceite de mamona” En Congreso Brasilero de Mamona. (et al 2004). 7 p.
