2014 - Repositorio Digital Senescyt

2014
Evaluación ambiental de la producción de
bioetanol a partir de la paja de trigo
Gabriela Salazar Soria
Máster en Ingeniería Ambiental
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Junio de 2014
Evaluación ambiental de la
producción de bioetanol a partir de
la paja de trigo
Gabriela Salazar Soria
Santiago de Compostela, Junio 2014
Trabajo Fin de Máster
Máster en Ingeniería Ambiental
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Santiago de Compostela
Dr. Gumersindo Feijoo Costa, Catedrático de Ingeniería Química de la
Universidad de Santiago de Compostela; y Dra. Sara González García, investigadora
Juan de la Cierva en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de
Santiago de Compostela
INFORMAN:
Que el presente trabajo titulado “Evaluación ambiental de la producción de
bioetanol a partir de la paja de trigo”, que presenta Dña. Gabriela Salazar Soria,
ha sido realizado bajo nuestra dirección en el Departamento de Ingeniería Química
para cubrir los créditos necesarios correspondientes al Trabajo Fin de Máster y
obtener el Título de Máster Oficial en Ingeniería Ambiental.
Y para que así conste, firmamos el presente informe en Santiago de Compostela
a 23 de Junio de 2014.
Fdo.: G. Feijoo Costa
Fdo.: S. González García
Fdo. G. Salazar Soria
Agradecimientos
Quiero agradecer a mí amada familia, Darío y Libia Isabel, por su apoyo, por su
comprensión, por su paciencia, por estar siempre conmigo a pesar de todo y para todo
y por confiar siempre en mí.
A mis padres y a Libia Cumandá, quienes a pesar de la distancia, con su
apoyo, esfuerzo y cariño, hicieron posible que este proyecto se hiciera realidad.
A la Secretaría Nacional de Ciencia y Tecnología del Ecuador (SENESCYT),
por brindarme la oportunidad de realizar mis estudios en el extranjero y permitirme vivir
una experiencia inolvidable.
Y a las personas del BIOGRUOP de la Universidad de Santiago de
Compostela, por su invaluable ayuda para llevar a cabo este proyecto.
Gabriela Salazar Soria
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
ÍNDICE
ÍNDICE.....................................................................................................................................1
ÍNDICE DE TABLAS................................................................................................................4
ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................................6
RESUMEN ...............................................................................................................................7
OBJETIVO ...............................................................................................................................9
1.
2.
3.
BIOCOMBUSTIBLES.....................................................................................................13
1.1
Antecedentes .........................................................................................................13
1.2
Problemática ..........................................................................................................15
1.3
Tipos de biocombustibles.......................................................................................17
1.4
Bioetanol ................................................................................................................18
1.4.1
Etanol producido a partir de biomasa lignocelulósica ....................................20
1.4.2
Estructura de la biomasa lignocelulósica .......................................................21
1.4.3
Pretratamiento de la biomasa lignocelulósica ................................................22
ANÁLISIS DEL CICLO DE VIDA (ACV) ........................................................................27
2.1
Definición ................................................................................................................27
2.2
Metodología............................................................................................................28
2.2.1
Definición del objetivo y alcance ....................................................................28
2.2.2
Inventario del Ciclo de Vida (ICV) ..................................................................29
2.2.3
Evaluación del Impacto del Ciclo de Vida (EICV) ..........................................30
2.2.4
Interpretación del ciclo de vida .......................................................................32
ACV Y LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL .................................................................35
3.1
Cambio Climático ...................................................................................................39
3.1.1
Contribución de cada subsistema al cambio climático ..................................42
1
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
4.
3.2
Acidificación ...........................................................................................................44
3.3
Eutrofización...........................................................................................................47
ACV DE LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE LA PAJA DE TRIGO ....51
4.1
Objetivo del trabajo ................................................................................................51
4.2
Alcance ...................................................................................................................52
4.2.1
Función y unidad funcional .............................................................................52
4.2.2
Sistema y límites del sistema .........................................................................53
4.2.3
Procedimientos de asignación de cargas ......................................................60
4.2.4
Requisitos de calidad de los datos .................................................................62
4.3
5.
2014
Inventario del Ciclo de Vida (ICV) ..........................................................................62
4.3.1
Subsistema agrícola (S1) ...............................................................................62
4.3.2
Subsistema de pretratamiento (S2)................................................................64
4.3.3
Subsistema de sacarificación y fermentación (S3) ........................................65
4.3.4
Subsistema de recuperación del producto (S4) .............................................67
4.3.5
Subsistema de actividades auxiliares (S5) ....................................................68
4.3.6
Subsistema de producción evitada de electricidad (S6) ................................70
EVALUACIÓN DE IMPACTO DEL CICLO DE VIDA (EICV) ........................................73
5.1
Selección de las categorías de impacto ................................................................73
5.1.1
Cambio Climático (CC) ...................................................................................74
5.1.2
Agotamiento de la capa de ozono (OD) .........................................................74
5.1.3
Acidificación (TA) ............................................................................................74
5.1.4
Formación de oxidantes fotoquímicos (POF).................................................75
5.1.5
Eutrofización acuática ....................................................................................75
5.1.6
Toxicidad y Ecotoxicidad ................................................................................76
2
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
5.1.7
5.2
2014
Agotamiento de los combustibles fósiles (FD) ...............................................76
Interpretación de resultados...................................................................................76
5.2.1
Evaluación ambiental escenario STEAMBIO .................................................77
5.2.2
Evaluación ambiental escenario BIOBIO .......................................................83
5.2.3
Comparación entre ambos escenarios ..........................................................89
5.2.4
Comparación con otros estudios de ACV ......................................................92
6.
CONCLUSIONES, LIMITACIONES Y RECOMENDACIONES ....................................97
7.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFCAS ...............................................................................99
3
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Pretratamientos físicos y físico-químicos de la biomasa lignocelulósica (5; 9)...23
Tabla 1.2. Pretratamientos químicos y biológicos de la biomasa lignocelulósica (5; 9) ......24
Tabla 2.1. Categorías de impacto consideradas por el método ReCiPe (11) ......................31
Tabla 3.1. Aspectos de la metodología ACV ........................................................................37
Tabla 3.2. Tecnologías de conversión en el sistema de producción y uso del bioetanol
(alcance “cuna-tumba”) .........................................................................................................38
Tabla 4.1. Reacciones y conversiones para pretratamiento por explosión a vapor (19) .....56
Tabla 4.2. Reacciones y conversiones para pretratamiento biológico (30)..........................57
Tabla 4.3. Reacciones y conversiones para sacarificación y fermentación (30)..................58
Tabla 4.4. Fuentes de los datos secundarios de inventario .................................................62
Tabla 4.5. Datos inventario para S1, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) (31) ......63
Tabla 4.6. Datos inventario para S1, escenario BIOMBIO (por kg de bioetanol) (31) .........63
Tabla 4.7. Datos inventario para S2, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) .............64
Tabla 4.8. Datos inventario para S2, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol) ....................65
Tabla 4.9. Datos inventario para S3, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) .............66
Tabla 4.10. Datos inventario para S3, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol) ..................66
Tabla 4.11. Datos inventario para la producción de enzima (por kg de enzima) (34) ..........67
Tabla 4.12. Datos inventario para S4, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) ...........68
Tabla 4.13. Datos inventario para S4, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol) ..................68
Tabla 4.14. Datos inventario para S5, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) ...........69
Tabla 4.15. Datos inventario para S5, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol) ..................69
Tabla 5.1. Resultados ACV escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) ............................77
Tabla 5.2. Resultados ACV subsistema S1, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) ..78
Tabla 5.3. Resultados ACV subsistema S2, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) ..79
Tabla 5.4. Resultados ACV subsistema S3, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) ..80
Tabla 5.5. Resultados ACV subsistema S5, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) ..81
Tabla 5.6. Resultados ACV, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol) .................................83
Tabla 5.7. Resultados ACV subsistema S1, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol) ........85
4
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 5.8. Resultados ACV subsistema S2, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol) ........85
Tabla 5.9. Resultados ACV subsistema S3, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol) ........86
Tabla 5.10. Resultados ACV subsistema S5, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol) ......88
Tabla 5.11. Resultados ACV, normalización ........................................................................90
Tabla 5.12. Principales flujos de entrada y salida, escenarios STEAMBIO y BIOBIO (por kg
de bioetanol) ..........................................................................................................................92
Tabla 5.13. Resumen comparativo de los estudios analizados (por kg de bioetanol) .........94
5
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Proceso de producción del bioetanol en función del tipo de materia prima (1) .20
Figura 1.2. Estructura de la lignocelulosa (8) .......................................................................21
Figura 2.1. Etapas del ACV (10) ...........................................................................................28
Figura 2.2. Elementos de la etapa de EICV (10) ..................................................................30
Figura 3.1. Subsistemas dentro del ciclo de vida del sistema de producción y uso del
bioetanol ................................................................................................................................36
Figura 3.2: Emisiones de GEI ...............................................................................................41
Figura 3.3. Contribución por subsistema ..............................................................................43
Figura 3.4. Acidificación ........................................................................................................46
Figura 3.5. Eutrofización .......................................................................................................48
Figura 4.1. Sistema y límites del sistema para el escenario STEAMBIO .............................53
Figura 4.2. Sistema y límites del sistema para el escenario BIOBIO ...................................54
Figura 5.1. Contribución relativa por subsistema, escenario STEAMBIO ............................77
Figura 5.2. Contribución relativa por subsistema, escenario BIOBIO ..................................83
6
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
RESUMEN
Los biocombustibles, como el bioetanol, han sido reconocidos como una alternativa al
uso de combustibles fósiles durante décadas, debido al espectacular aumento en el
consumo energético generado por la industrialización y el crecimiento económico, y al
carácter finito de las actuales fuentes energéticas. Varios estudios han demostrado
que su uso puede ayudar a la reducción de las emisiones de gases de efecto
invernadero (GEI), aunque generando importantes impactos ambientales y ecológicos.
La producción de bioetanol se puede llevar a cabo a partir de una variedad de
materias primas, entre ellas la biomasa lignocelulósica. Esta materia prima, producida
por la fotosíntesis, es la más abundante disponible en la tierra. Sin embargo, todavía
no existe una tecnología de conversión de bajo coste, debido a su propia naturaleza y
composición. El pretratamiento se constituye como uno de los principales retos en la
producción de bioetanol lignocelulósico, ya que consume mucha energía y no se
encuentra completamente desarrollado.
La paja de trigo es un residuo agrícola abundante y es una opción prometedora y
económicamente atractiva para la producción de bioetanol, puesto que su uso no
compite con los alimentos. La naturaleza lignocelulósica de paja de trigo hace que el
pretratamiento sea una etapa esencial para su conversión en bioetanol. Uno de los
pretratamientos físico – químicos más estudiados es el de explosión por vapor, que ha
demostrado ser muy efectivo para tratar residuos agrícolas. El pretratamiento con
hongos, puede considerarse como una alternativa a este tipo de pretratamientos, ya
que tiene bajos requerimientos energéticos y produce un mínimo de desperdicios,
además de co-productos con valor añadido.
7
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
En este contexto, el Análisis de Ciclo de Vida (ACV) como una metodología
desarrollada para evaluar los impactos ambientales durante el ciclo de vida de un
producto, proceso o servicio, puede aportar información útil para la toma de decisiones
orientadas a mejorar ambientalmente el proceso de producción de bioetanol
lignocelulósico.
8
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
OBJETIVO
El objetivo de este trabajo es evaluar el impacto ambiental asociado a la producción de
bioetanol a partir de la paja de trigo mediante la metodología del ACV y considerando
dos tipos de pretratamiento: i) el pretratamiento biológico, utilizando hongos, y ii) el
pretratamiento físico - químico, utilizando explosión por vapor. Con los resultados
obtenidos será posible comparar estos dos procesos y responder a la pregunta:
¿Es la opción biotecnológica una alternativa ambiental para pretratar material
lignocelulósico en los procesos fermentativos de etanol?
9
CAPÍTULO
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
1. BIOCOMBUSTIBLES
1.1
Antecedentes
El concepto de biocombustible es genérico y se refiere a los recursos energéticos
obtenidos a partir de biomasa, sea ésta un cultivo o un residuo (agrícola, industrial o
urbano) (1).
El origen de los biocombustibles es prácticamente paralelo al inicio de la era del
automóvil. A finales del siglo XIX, Rudolf Diesel diseñó el prototipo del motor que lleva
su nombre pensando en que funcionara con aceites vegetales (2). De hecho, en su
primera demostración de funcionamiento en la Feria de París de 1898, se usó aceite
de cacahuete como combustible (2). Asimismo, cuando Henry Ford hizo el primer
diseño de su automóvil Model T en 1908, esperaba utilizar etanol de maíz como
combustible (2).
Durante la Primera Guerra Mundial, se aumentó la demanda de combustibles, entre
ellos el etanol (3). Sin embargo, después de la guerra, el gasóleo y la gasolina se
convirtieron en los combustibles más utilizados en el sector de la automoción, bajando
considerablemente la demanda de etanol (3). Aún así, empresas como General Motors
Corporation y DuPont siguieron el desarrollo del etanol como agente antidetonante y
posible reemplazo de los combustibles fósiles hasta el año 1921, cuando se
descubrieron las propiedades antidetonantes del tetraetilo de plomo (3).
A mediados los años 30, en los estados del Medio Oeste de EE.UU. se
comercializaron mezclas de etanol de maíz y gasolina, llamadas “Alcolene” y “Agrol”,
debido a la caída de los precios del maíz y buscando usos alternativos para este
producto (3). “Agrol”, con un contenido de etanol entre el 5 y 17,5%, fue vendida en
más de 2.000 estaciones de servicio, desde Indiana hasta Dakota del Sur (3).
13
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Sin embargo, después de la Segunda Guerra Mundial, el interés en el etanol
disminuyó debido a que la producción de gasolina con plomo era más barata y
sencilla, y al descubrimiento de nuevos yacimientos petrolíferos (3).
En la década de los 70 y como consecuencia de la crisis del petróleo de 1973, se
restableció el uso de etanol como combustible (3). En 1975 Brasil inició el programa
‘‘Proalcool’’ para producir etanol a partir de caña de azúcar y usarlo como aditivo ó
sustituto de la gasolina (3). EE.UU. dio un importante impulso al uso de etanol como
combustible, mediante la eximición de impuestos dada por la ETA de 1978 (3).
Durante la década de los 80, continuó el desarrollo del etanol a partir de cultivos
alimenticios (biocombustibles de primera generación). Es así que en 1980, más de la
mitad de los automóviles en Brasil funcionaban con E95 (mezcla de 95% de etanol
anhídrido a partir de caña de azúcar y gasolina convencional), pero la escasez de
azúcar y el aumento de precios redujeron esta cifra a un 20% a finales de este año (3).
Además, diversos sectores advirtieron que el empleo de estos cultivos en la
producción de etanol, es inaceptable, desde el punto de vista ético, en un mundo
donde una gran parte de la población pasa hambre (4).
Ante esta situación, se comenzó a buscar materias primas alternativas que no
afectasen a la seguridad alimentaria, como los por ejemplo la biomasa lignocelulósica
(madera, pajas, residuos agrícolas y forestales), que es una materia prima abundante
y renovable (se estima que anualmente se producen entre 10 y 50 billones de
toneladas secas), a partir de la cual se producen los biocombustibles de segunda
generación (5).
En lo últimos años se ha puesto especial atención en la producción de biocombustibles
de tercera generación, que implican el uso de algas como materias primas (1).
14
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
1.2
2014
Problemática
Debido a la industrialización y al crecimiento económico, el consumo energético ha
aumentado más de veinte veces durante el último siglo (1). Este hecho se debe al
crecimiento de la demanda en los países desarrollados y en los países en desarrollo
con economías en crecimiento, como es el caso de China ó India (1). La mayoría de la
energía utilizada en la actualidad, procede de fuentes no renovables, es decir finitas, y
que en un futuro no muy lejano, serán insuficientes para cubrir las necesidades
energéticas mundiales (1). La UE estima que, al ritmo de consumo actual, el
agotamiento de las reservas de petróleo se producirá en el 2047, y que para el caso
de las reservas de gas natural, en el 2068 (1).
Por otra parte, el uso intensivo de combustibles fósiles ha incrementado la generación
de gases de efecto invernadero (GEI) (entre 1970 y 2004, las emisiones de GEI
aumentaron un 70%), causando un cambio climático mundial (1). La solución a esta
problemática depende de cómo se desarrollen e implementen las tecnologías basadas
en fuentes alternativas de energía (5). Mediante el uso de recursos energéticos
renovables, la humanidad puede encontrar parte de la solución a sus necesidades de
energía de una manera respetuosa con el medio ambiente (5).
En este contexto, los biocombustibles, especialmente el bioetanol, constituyen una
alternativa viable para mitigar el agotamiento de los combustibles fósiles, ya que son
capaces de sustituirlo sin necesidad de realizar grandes cambios en el parque móvil
mundial (1).
Durante los últimos años, se ha incrementado notablemente la producción de
bioetanol, desde 16,9 billones de litros en el año 2000 a 72,0 billones de litros en el
año 2009 (6). La producción está dominada por EE.UU. y Brasil, y se basa en el uso
como materia prima del grano de maíz y del jarabe de caña de azúcar,
respectivamente (6). En la Unión Europea, los mayores productores son Alemania y
Francia, produciendo en el año 2011 entre 1.007 y 770 millones de litros
15
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
respectivamente (7). Este bioetanol se usa principalmente como biocombustible
alternativo para el transporte, en respuesta a la escalada de los precios de los
combustibles fósiles, causada por las limitaciones en el suministro y por el cambio
climático mundial (6). Sin embargo, su desarrollo se ha retrasado, debido a la
creciente
preocupación
por
su
competencia
con
la
disponibilidad
recursos
alimentarios, a la producción real de energía neta, y a las consecuencias relacionadas
con el uso de la tierra (6).
De hecho, en EE.UU. la reasignación del 20% del maíz para la producción de
bioetanol en el año 2006, ha sido señalada como la causante del incremento de los
precios de los alimentos entre los años 2003 y 2008 (6). En Brasil, el alto coste de
producción de etanol de caña de azúcar se debe al precio de la materia prima, que
representa el 70% del coste total de producción (6).
Con estos antecedentes, existe la necesidad de investigar materias primas
alternativas, como por ejemplo la biomasa lignocelulósica (madera, pajas, residuos
agrícolas y forestales) (6). Este tipo de materia prima está disponible en abundancia
en muchos países y regiones, y su uso apenas compite con la disponibilidad de
recursos alimentarios (6). En muchos casos, no necesita tierras fértiles ó
mantenimiento permanente para su generación, por lo que, se puede esperar una gran
reducción de los impactos ambientales y sociales asociados al uso de los
biocombustibles (6). Otro motivo para explorar la producción de biocombustibles
basados en este tipo de materia prima, es que puede mejorar el balance de emisiones
de GEI (6).
Aunque el uso de biomasa lignocelulósica como materia prima tiene mucho potencial,
hasta ahora, los objetivos de producción de bioetanol lignocelulósico son poco
alentadores (6). Por ejemplo, en EE.UU., los altos costes de producción hacen que su
uso en el transporte sea excesivamente costoso (6). La razón para estos altos costes
de producción está relacionada en parte a las características de la materia prima
16
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
lignocelulósica, que necesita tecnologías de conversión avanzadas (6). Como
resultado, recientemente el gobierno de EE.UU. ha reducido la producción de
bioetanol lignocelulósico de 946 a solo 23 millones de litros al año (6).
Se puede concluir que las actuales tecnologías de conversión siguen siendo
insuficientes para una producción económicamente viable de bioetanol lignocelulósico,
y que aún se necesita tiempo para el desarrollo de tecnologías avanzadas y eficientes
(6). Por lo tanto, la promesa de sustituir los combustibles fósiles por biocombustibles,
aún no puede aplicarse a gran escala, pero en general, puede contribuir a diversificar
la oferta y reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles (6).
1.3
Tipos de biocombustibles
La clasificación de los biocombustibles no se basa en un criterio único, pero
generalmente se ordenan de acuerdo al uso al que se destinan y a su naturaleza (1).
En función de ello pueden considerarse los siguientes tipos (1; 2):
•
Biocombustibles sólidos: corresponden al uso directo de la biomasa, que tan
solo sufre transformaciones físicas antes de su empleo, por ejemplo la madera,
la paja ó carbones de origen vegetal. Se utilizan para la obtención de energía
calorífica y en menor medida para la producción de energía eléctrica.
•
Biocarburantes: son todos aquellos combustibles líquidos, derivados de la
biomasa, que tienen características parecidas a gasolinas y gasóleos, por lo
que se usan en motores convencionales sin tener que efectuar modificaciones
importantes. Se distinguen entre los de primera generación, que se obtienen a
partir de materias primas que también están destinadas al mercado alimentario,
y los de segunda generación, producidos a partir de materias primas que no
compiten con el mercado alimentario. Dentro de esta categoría se encuentran
el bioetanol, biobutanol, biodiesel y bio-ETB (en inglés: biotin-conjugated
epolactaene tertiary butyl ester).
17
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
•
2014
Biogás: es un combustible producido por degradación anaeróbica de la materia
orgánica. Puede usarse directamente como combustible, ó tras un proceso de
concentración y/o purificación, para la generación de calor y electricidad.
•
Biocombustibles sintéticos: se obtienen mediante la gasificación de la biomasa.
Dentro de esta categoría se encuentran el biodiesel sintético (Fischer-Tropsch),
biometano, gas de gasificación, aceites de pirólisis, DME (biodimetiléter), y
diesel HTU (biodiesel reformado hidrotérmicamente).
1.4
Bioetanol
Es el alcohol etílico producido a partir de la fermentación de los azúcares contenidos
en cualquier materia prima orgánica rica en azúcares ó compuestos que puedan ser
transformados en azúcares, como el almidón ó la celulosa (2).
Su uso se ha extendido principalmente como reemplazo de los combustibles fósiles en
el transporte, ayudando además a la reducción de las emisiones CO y CO2, debido a
la mejor combustión por oxigenación del combustible (1). Su uso además limita las
emisiones de benceno, tolueno y xileno, aunque incrementa las de acetaldehído y
formaldehido (por combustión incompleta) (1). Debido a sus propiedades, el bioetanol
puede usarse como mejorador del índice de octano, transformado en ETBE (en inglés:
ethyl tert-butyl ether) (5). Además no es tóxico, y no contamina las fuentes de agua (5).
Por lo general, el bioetanol se utiliza mezclado con gasolina en bajos porcentajes (5 10%), en cuyo caso no se necesitan grandes modificaciones en los motores de los
vehículos, ó mezclado en porcentajes mayores (10 - 85%), en cuyo caso, se requieren
vehículos modificados (en inglés: flexible-fuel vehicle - FFV) (1). Estos vehículos van
equipados con un sensor de combustible que detecta la proporción de etanol y
gasolina adaptando los sistemas de inyección e ignición a las características de la
mezcla (1).
18
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Como se ha mencionado anteriormente, el bioetanol puede obtenerse a partir de
biomasas ricas en azúcares ó compuestos que puedan transformarse en azúcares, las
cuales pueden dividirse en tres grupos, según su componente principal y el proceso
para la obtención del bioetanol (1):
•
Biomasa azucarada: como la caña de azúcar, la remolacha azucarera, el sorgo
dulce, etc. El azúcar contenido en este tipo de biomasa se transforma en etanol
directamente.
•
Biomasa amilácea: como los granos de cereales, tubérculos de patata, etc. El
almidón se hidroliza con enzimas para obtener azúcares fermentables, que
posteriormente se transformarán en etanol.
•
Biomasa lignocelulósica: como la madera, residuos agrícolas, forestales, etc.
Para obtener etanol a partir de este tipo de biomasa, primero se debe convertir
la celulosa en azúcares mediante procesos de hidrólisis ácida y/o enzimática.
Los procesos basados en la fermentación de azúcares comparten el mismo esquema
básico: i) pretratamiento y/o hidrólisis, para obtener los azúcares en su forma
monomérica, ii) fermentación de los azúcares para obtener el etanol, y por último, iii)
recuperación del producto de fermentación (1). Sin embargo, el proceso para cada tipo
de biomasa es diferente en sus etapas iniciales, como se puede ver en la Figura 1.1.
19
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Figura 1.1. Proceso de producción del bioetanol en función del tipo de materia prima
(1; 2)
1.4.1 Etanol producido a partir de biomasa lignocelulósica
En general, las materias primas lignocelulósicas usadas para la producción de etanol,
se pueden dividir en seis grupos principales (5):
•
Residuos agrícolas: bagazo de caña, rastrojo de maíz, paja de trigo, paja de
arroz, cáscara de arroz, paja de cebada, bagazo de sorgo dulce, huesos de
aceituna y pulpa.
•
Madera: álamo, chopo.
•
Madera blanda: pino, abeto.
•
Residuos de celulosa: papel reciclado, lodos reciclados de papel.
•
Biomasa herbácea: alfalfa, pasto varilla (en inglés: switchgrass), yerba timotea
(en inglés: timothy grass).
•
Residuos sólidos urbanos (RSU).
20
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
1.4.2 Estructura de la biomasa lignocelulósica
Los tres componentes principales de la lignocelulosa son celulosa, hemicelulosa y
lignina (ver Figura 1.2), cuyas proporciones son relativas al tipo de biomasa (8). La
celulosa, es el principal componente estructural de las paredes celulares de las plantas
(8). Está constituida por una larga cadena de moléculas de glucosa, unidas entre sí
mediante enlaces β-(1,4) (8). La hemicelulosa es el segundo componente más
abundante de biomasa lignocelulósica (8). No es un compuesto químicamente bien
definido, sino más bien una familia de polisacáridos, compuesta por diferentes tipos de
monosacáridos como la arabinosa, galactosa, glucosa, manosa y xilosa (8).
Finalmente, está la lignina, que es un polímero tridimensional formado por unidades de
fenilpropano (8). Se puede considerar como el pegamento celular, que proporciona
resistencia a la compresión al tejido de la planta y a las fibras individuales, rigidez a la
pared celular, y resistencia a insectos y patógenos (8).
Figura 1.2. Estructura de la lignocelulosa (8)
21
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
1.4.3 Pretratamiento de la biomasa lignocelulósica
El principal reto en el proceso de producción de bioetanol a partir de biomasa
lignocelulósica es el pretratamiento (5). Esto se debe a que por la propia naturaleza y
composición de este tipo de materia prima, este proceso tiene un mayor grado de
complejidad, consume mucha energía, y no se encuentra completamente desarrollado
(5).
Durante el pretratamiento, el complejo lignocelulósico (formado por celulosa y lignina,
unidas mediante enlaces de hemicelulosa), se rompe, con el objetivo de reducir la
cristalinidad de la celulosa, disociar el complejo celulosa-lignina y aumentar el área
superficial del material (5). Además, el pretratamiento debería mejorar la formación de
azúcares o la capacidad de formarlos durante la posterior hidrólisis, y evitar la
formación de inhibidores (5).
Cuando el pretratamiento no se lleva a cabo, el rendimiento de la hidrólisis es inferior
al 20% del rendimiento teórico, mientras que el rendimiento después de pretratamiento
a menudo supera el 90% del teórico (5).
Por su naturaleza, los pretratamientos se pueden dividir en cuatro grupos: físicos,
físico - químicos, químicos y biológicos, como se puede ver en la Tabla 1.1 y Tabla
1.2.
22
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 1.1. Pretratamientos físicos y físico – químicos de la biomasa lignocelulósica (5; 9)
Tipo
Pretratamientos físicos
a
Procedimiento/agente
Observaciones
Trituración mecánica
Astillado, molienda
• Reducción de la cristalinidad de la celulosa.
• Aumento de la superficie específica y la densidad aparente de la materia prima.
• Alto consumo energético (depende del tamaño de partícula y del tipo de materia
prima).
Pirolisis
T>300ºC, después refrigeración
y condensación
• El proceso puede realizarse al vacío (400°C, p=1mmHg, 20min).
• Formación de compuestos volátiles y carbón.
Ejemplos de biomasa
Madera, residuos
forestales, rastrojo de
maíz, bagazo de caña,
alfalfa, timothy grass.
Madera, residuos de
algodón, rastrojo de
maíz.
Pretratamientos físico - químicos
Explosión por vapor (en
inglés: Steam Explosion SE)
Vapor saturado T=160-290°C,
p=0.69-4.85MPa, 1-10min,
después descompresión hasta
presión atmosférica.
Tratamiento con agua
caliente líquida (en inglés:
Liquid Hot Water - LHW)
Agua caliente p>5MPa, T=170230°C, 1-46 minutos; carga de
sólidos <20%
Proceso de explosión por
vapor con amoniaco (en
inglés: Ammonia Fiber
Explosion - AFEX)
1–2kg de amoniaco por 1kg de
biomasa seca, T=90°C, 30min,
p=1.12–1.36MPa, después
descompresión.
Explosión con CO2
4kg de CO2 por 1kg de fibra,
p=5.62MPa
• Hidrólisis de la hemicelulosa en 80-100%; destrucción de una fracción de xilano;
recuperación de la xilosa en 45-65%.
• Despolimerización de una fracción de celulosa.
• La lignina no se solubiliza.
• Formación de compuestos inhibidores.
• Procesamiento de grandes cantidades de materia prima.
• Uso de tamaños de partícula mayores que en otros pretratamientos (15-30mm).
• Mejoramiento del proceso mediante la adicción de ácido sulfúrico ó dióxido de
azufre (maderas blandas).
• Hidrólisis de la hemicelulosa en 80-100%; recuperación de la xilosa en 88-98%;
oligómeros en más del 50%.
• Despolimerización de una fracción de celulosa.
• Posterior conversión de la celulosa en más del 90%.
• Solubilización parcial de la lignina en 20-50%.
• No se forman compuestos inhibidores.
• Hidrólisis de la hemicelulosa en 60%; oligómeros en más del 90%.
• Despolimerización de una fracción de celulosa.
• Posterior conversión de la celulosa en más del 90%, en biomasas con alto
contenido de lignina (>50%).
• Solubilización de la lignina en 10-20%.
• No se forman compuestos inhibidores.
• Recuperación de amoniaco.
• Posterior conversión de la celulosa en más del 75%.
• No se forman compuestos inhibidores.
a
T: temperatura, p: presión
23
Chopo, álamo,
eucalipto, rastrojo de
maíz, paja de trigo, paja
de arroz, paja de
cebada, bagazo de
sorgo dulce, residuos de
mostaza etíope, huesos
de aceituna,
switchgrass, alfalfa.
Rastrojo de maíz,
huesos de aceituna,
alfalfa.
Astillas de álamo, paja
de trigo, paja de cebada,
cáscara de arroz,
rastrojo de maíz, alfalfa,
switchgrass, papel de
periódico, RSU.
Alfalfa, papel reciclado.
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 1.2. Pretratamientos químicos y biológicos de la biomasa lignocelulósica (5; 9)
Tipo
Pretratamientos químicos
a
Procedimiento/agente
Observaciones
Ejemplos de biomasa
Hidrólisis con ácido diluido
(en inglés: Diluted Acid DA)
0,75–5% H2SO4, HCl, ó HNO3,
p=1MPa; Proceso continuo:
cargas de sólidos bajas, T=160–
200°C; Proceso Batch: cargas
de sólidos altas, T=120–160°C.
•
•
•
•
•
Hidrólisis con ácido
concentrado (en inglés:
Concentrated Acid – CA)
10–30% H2SO4, T=170–190°C,
relación sólido-líquido de 1:1.6.
• Recuperación del ácido.
• Tiempos de residencia mayores en comparación con el tratamiento DA.
Aserrín de chopo,
bagazo.
NaOH diluido, 24h, 60°C;
Ca(OH)2, 4h, 120°C.
• Hinchamiento de la biomasa.
• Hidrólisis de la hemicelulosa en más del 50%; recuperación de la xilosa en 6075%.
• Posterior conversión de la celulosa en más del 65%.
• Degradación de la lignina en 24-55% (maderas duras).
• Baja formación de compuestos inhibidores.
• Los costos son menores que el pretratamiento con ácido.
Bagazo, rastrojo de
maíz, pajas con bajo
contenido de lignina (1018%), hojas de caña.
• Solubilización de la mayor parte de hemicelulosa.
• Degradación de la lignina.
• Formación de compuestos inhibidores.
Rastrojo de maíz, paja
de trigo
• Hidrólisis de casi toda la hemicelulosa; alto rendimiento en cuanto a xilosa.
• Solubilización de casi toda la lignina y rotura de los enlaces internos de lignina y
hemicelulosa.
Chopo, maderas suaves
(pino, abeto).
• Los hongos de la podredumbre marrón producen enzimas que degradan la
celulosa.
• Los hongos de la podredumbre blanca y blanda producen enzimas que
degradan la celulosa y la lignina.
• Proceso con bajo requerimiento energético y condiciones ambientales suaves,
aunque lento.
Rastrojo de maíz, paja
de trigo.
Hidrólisis con álcalis
Oxidación húmeda (en
inglés: Wet Oxidation –
WO)
Tratamiento con
organosolventes
Oxígeno p=1.2MPa, T=195°C,
15min; adición de agua y
pequeñas cantidades de
Na2CO3 ó H2SO4
Solventes orgánicos (metanol,
etanol, acetona, etilenglicol), ó
mezclados con 1% de H2SO4 ó
HCl; T=185-198°C, 30-60min,
pH=2.0–3.4.
Hidrólisis de la hemicelulosa en 80-100%; recuperación de la xilosa en 75-90%.
Despolimerización de una fracción de celulosa.
La lignina no se solubiliza.
La alta temperatura favorece la hidrólisis de la celulosa.
Neutralización del pH, lo cual genera yeso como residuo.
Chopo, bagazo, rastrojo
de maíz, paja de trigo,
paja de centeno,
cáscara de arroz,
switchgrass.
Pretratamientos biológicos
Pretratamiento con hongos
(en inglés: Fungal
Pretreatment - FP)
Hongos de la podredumbre
blanca, marrón o blanda; SsF
(en inglés: solid state
fermentation) de la biomasa.
a
T: temperatura, p: presión
24
CAPÍTULO 2
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
2. ANÁLISIS DEL CICLO DE VIDA (ACV)
2.1
Definición
La creciente conciencia con respecto a la importancia de la protección del medio
ambiente y los posibles impactos ambientales asociados con productos y actividades
han aumentado el interés por el desarrollo de metodologías para comprender mejor la
naturaleza de esos impactos y poder tratarlos apropiadamente (10).
El Análisis de Ciclo de Vida (ACV) es una metodología desarrollada para determinar
los aspectos ambientales e impactos potenciales asociados a cada una de las etapas
del ciclo de vida de un producto, proceso o servicio, compilando un inventario de las
entradas y salidas relevantes del sistema, evaluando los impactos ambientales
potenciales asociados a esas entradas y salidas, e interpretando los resultados de las
fases de inventario e impacto en relación con los objetivos del estudio (10) .
El ACV es una metodología que proporciona información útil para la toma de
decisiones orientadas a mejorar ambientalmente un producto, proceso ó servicio (10).
Además, es una metodología iterativa, lo que contribuye a la integridad y coherencia
del estudio y de los resultados presentados (10). Sin embargo, tiene limitaciones que
es importante considerar en la etapa de interpretación de resultados (10):
•
Las selecciones y suposiciones que se hacen pueden ser subjetivas (por
ejemplo, la fijación de los límites del sistema, la selección de las fuentes de
datos y las categorías de impacto seleccionadas).
•
Los modelos utilizados para el análisis del inventario o para evaluar los
impactos ambientales están limitados por sus propios supuestos y es posible
que no estén disponibles para todos los impactos potenciales o para todas las
aplicaciones.
•
Los resultados de los estudios de ACV enfocados hacia temas mundiales y
regionales pueden ser inapropiados para las aplicaciones locales, es decir, las
27
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
condiciones regionales o mundiales podrían no representar adecuadamente las
condiciones locales.
•
La exactitud de los estudios de ACV puede estar limitada por la falta de acceso
o de disponibilidad de los datos de inventario, o por la calidad de los mismos.
•
La falta de dimensiones espaciales y temporales en los datos del inventario
usados para la evaluación del impacto introduce incertidumbre en los
resultados del impacto.
2.2
Metodología
La Organización Internacional para la Estandarización (ISO) es el organismo que ha
desarrollado una serie de estándares enfocados en la Administración o Gestión
Ambiental. Estos estándares incluyen las series ISO 14040 sobre el ACV, en donde se
determinan cuatro etapas básicas en el estudio de ACV, como se puede ver en la
Figura 2.1:
Figura 2.1. Etapas del ACV (10)
2.2.1 Definición del objetivo y alcance
En esta primera etapa se establece el objetivo final del análisis y la metodología a
emplear (10). Asimismo, el objetivo del ACV establece la aplicación prevista, las
28
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
razones para realizar el estudio, el público previsto, es decir, las personas a quienes
se prevé comunicar los resultados del estudio, y si se prevé utilizar los resultados en
aseveraciones comparativas que se divulgarán al público (10).
El alcance incluye el sistema del producto a estudiar, las funciones del sistema, la
unidad funcional, los límites del sistema, los procedimientos de asignación, las
categorías de impacto seleccionadas y la metodología de evaluación de impacto, las
suposiciones y limitaciones y los requisitos de calidad de los datos (10).
El sistema está constituido por aquel conjunto de procesos que actuando a un tiempo
permiten una función definida, que hace posible que un determinado producto llegue al
mercado (10). Los límites del sistema definen con precisión el sistema estudiado y
determinan qué procesos unitarios o subsistemas se deben incluir dentro del ACV
(10).
La función del sistema se refiere a la aplicación del producto y, por tanto, determinará
en parte la unidad funcional (UF) o cuantificación del estudio (10). De la adecuada
selección de la UF dependerán en gran medida las conclusiones del estudio (10).
Normalmente se consideran unidades de tipo físico respecto de la cual se refieren
todas las entradas y salidas del sistema (10).
Los métodos de asignación de las cargas ambientales permiten distribuir el impacto
ambiental entre los diferentes componentes del sistema (10).
2.2.2 Inventario del Ciclo de Vida (ICV)
Implica la recopilación de los datos y la realización de los cálculos adecuados para
cuantificar las entradas y salidas de cada uno de los escenarios o subsistemas
definidos en el alcance del estudio (10). Las entradas son las materias primas
(incluidas las fuentes de energía) y las salidas son las emisiones al aire, agua y suelo
(10). El análisis del inventario es un proceso iterativo, es decir, que a medida que se
29
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
recopilan datos y se aprende más sobre el sistema, se pueden identificar nuevos
requisitos o limitaciones (10).
2.2.3 Evaluación del Impacto del Ciclo de Vida (EICV)
Tiene como propósito evaluar cuán significativos son los impactos ambientales
potenciales utilizando los resultados del ICV. Según la Norma ISO 14040, esta fase
debe incluir los elementos mostrados en la Figura 2.2:
Figura 2.2. Elementos de la etapa de EICV (10)
Existen diferentes métodos para la EICV, que pueden agruparse como: i) métodos
“midpoint”, cuando se enfocan en el problema ambiental, cuantificando los efectos
ambientales como categorías de impacto (acidificación, destrucción de la capa de
ozono, etc.), y ii) métodos “endopoint”, cuando se enfocan en el daño al hombre y a los
sistemas naturales (11).
30
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Ejemplos de estos métodos son el CML2001, que es un “midpoint” desarrollado por el
CML (Centre of Environmental Science) de la Universidad de Leiden, Holanda (11), ó
el Eco-indicator 99, que es un “endpoint” promovido por el VROM (Dutch Ministry of
Housing, Spatial Planning and the Environment) y desarrollado por PRé Consultants,
en colaboración con empresas privadas, universidades y consultorías (11).
El método ReCiPe es un “midpoint” creado por el RIVM (The Netherlands National
Institute for Public Health and the Environment), CML, PRé Consultants y la
Universidad de Radboud Nijmegen (11). Consiste en la síntesis de los dos enfoques,
“midpoint” y “endpoint”, combinando las ventajas de los métodos CML2001 y EcoIndicator99, respectivamente (11). La ventaja del método CML2001 es su solidez
científica, mientras que la ventaja del Eco-indicator 99 es su facilidad de interpretación
(11). El método ReCiPe comprende dos conjuntos de categorías de impacto, dieciocho
se abordan a nivel “midpoint”, y tres a nivel “endpoint” (ver Tabla 2.1).
Tabla 2.1. Categorías de impacto consideradas por el método ReCiPe (11)
a
a
“midpoint”
“endpoint”
1. Cambio climático (CC)
1. Daños a la salud humana (HH)
2. Destrucción de la capa de ozono (OD)
2. Daños a la biodiversidad (ED)
3. Acidificación (TA)
3. Daños a la disponibilidad de recursos (RA)
4. Eutrofización del agua dulce (FE)
5. Eutrofización marina (ME)
6. Toxicidad humana (HT)
7. Formación de oxidantes fotoquímicos (POF)
8. Formación de particulados (PMF)
9. Ecotoxicidad al suelo (TET)
10. Ecotoxicidad al agua dulce (FET)
11. Ecotoxicidad marina (MET)
12. Radiación ionizante (IR)
13. Ocupación del suelo rural (ALO)
14. Ocupación del suelo urbano (ULO)
15. Transformación suelo natural (NTV)
16. Agotamiento del agua (WD)
17. Agotamiento de los recursos minerales (MRD)
18. Agotamiento de los combustibles fósiles (FD)
a
Acrónimo de acuerdo a los nombres en inglés
31
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
2.2.4 Interpretación del ciclo de vida
En esta fase los hallazgos del análisis del inventario y de la evaluación de impacto se
consideran juntos, de tal forma que se puedan obtener resultados coherentes con el
objetivo y el alcance definidos, que llegan a conclusiones, expliquen las limitaciones y
proporcionen las recomendaciones u oportunidades de mejora del proceso (10).
32
CAPÍTULO 3
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
3. ACV Y LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL
Como se ha mencionado en el apartado 2 de este trabajo, el ACV es una metodología
desarrollada para evaluar los impactos ambientales durante el ciclo de vida de un
producto, proceso o servicio. Durante la producción y uso del bioetanol, como en
cualquier otro tipo de combustible, se generan impactos sobre el medio ambiente que
es importante conocer. Cuando se analiza el desempeño ambiental del bioetanol,
existen varios aspectos relacionados con el ACV que hay que tener muy en cuenta,
como la definición de los límites del sistema, la elección de la unidad funcional, la
elección de los métodos de asignación, el tratamiento de carbono biogénico, la
selección de categorías de impacto, la elección del sistema de referencia, y el efecto
de la eliminación de la biomasa del suelo (6). Por ejemplo, en varios estudios se ha
demostrado que pueden existir resultados contradictorios si se utilizan diferentes
métodos de asignación de cargas para los co-productos, particularmente, cuando se
considera el valor económico, en lugar de las propiedades físicas (6). También se ha
demostrado la importancia de la inclusión o exclusión de carbono biogénico en los
resultados del ACV (6).
En la práctica, el ACV de la producción y uso del bioetanol se enfoca en dos
categorías principales: la emisión de GEI y el consumo de energía y de combustibles
fósiles (12). Sin embargo, es importante considerar que también se tienen importantes
impactos ecológicos, como el causado por el uso intensivo de la tierra y el agua para
la producción de la biomasa, o el riesgo de contaminación de las fuentes de agua
debido al uso de agroquímicos, como fertilizantes, que se aplican para favorecer el
crecimiento de las plantas, y pesticidas, que se aplican para reducir al mínimo las
plagas vegetales (6). El uso de fertilizantes a base de nitrógeno puede aumentar el
riesgo de eutrofización y acidificación, cuando en su aplicación no se tiene en cuenta
la posibilidad de desplazamiento del exceso no absorbido a las aguas superficiales o
subterráneas (6).
35
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
En este trabajo se ha planteado realizar una revisión de estudios de ACV, centrados
en la producción de bioetanol lignocelulósico, con el objetivo de identificar los tipos de
materia prima, los niveles de tecnología de conversión, los límites del sistema, la
unidad funcional y los métodos de asignación. Posteriormente, se analizarán,
determinando las contribuciones de cada subsistema dentro del ciclo de vida del
bioetanol (ver Figura 3.1), las siguientes categorías de impacto: Cambio climático,
Eutrofización y Acidificación. Estas tres categorías se consideran potenciales dentro
de los principales impactos ambientales causados por la producción y uso del
bioetanol lignocelulósico.
S1
Subsistema de
producción de la
biomasa
S2
Subsistema de
producción del
bioetanol
S3
Subsistema de
producción de las
mezclas
S4
Subsistema de uso
final
Figura 3.1. Subsistemas dentro del ciclo de vida del sistema de producción y uso del
bioetanol
Esta revisión abarca 17 estudios de ACV, publicados entre los años 2005 y 2013.
Toda la información obtenida de estos artículos está resumida en la Tabla 3.1 y en la
Tabla 3.2. Para poder comparar los resultados obtenidos en estos estudios, ha sido
necesario homogenizar los datos, debido a la variedad de objetivos planteados y de
métodos de análisis utilizados. En este sentido, las diferentes materias primas
utilizadas han sido ordenadas y clasificadas como residuos agrícolas y cultivos
energéticos. Además, las diferentes unidades funcionales planteadas han sido
transformadas a una única unidad funcional “1 kg de bioetanol”.
En cuanto al alcance del ACV, se han tomado en cuenta solamente aquellos estudios
“Cuna-Tumba”, es decir, los que abarcan todo el ciclo de vida del bioetanol (ver Figura
3.1), poniendo especial atención en identificar las diferentes tecnologías de conversión
utilizadas en el subsistema de producción del bioetanol, así como también en los tipos
de mezclas de bioetanol y gasolina convencional utilizadas (E10, E85 y E100).
36
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 3.1. Aspectos de la metodología ACV
1 km recorrido por un FFV
Rastrojo de maíz
Cuna a Tumba
Potencia a las ruedas para recorrer 1 km con un FFV
Rastrojo de maíz
Cuna a Tumba
Cuna a Tumba,
Cuna a Puerta
1 km recorrido por un FFV
Cultivos Energéticos
Tipo de Biomasa
Residuos Agrícolas
Tallos de alfalfa
Límites del
Sistema
Cuna a Tumba
Clase
Residuos de lino
Categoría de impactoa
Referencia
Másica
GW, PO, A, E
(13)
Másica, Económica
AD, OD, PO, HT & ET, A, E, GW
(14)
Másica, Sustitución
GW, Contaminación atmosférica
(15)
1 km recorrido por un FFV, 1 kg de etanol puro
Másica, Económica
GW, OD, PO, A, E
(16)
Cuna a Tumba
Distancia recorrida por un vehículo con el tanque lleno de
gasolina convencional
Másica, Económica
GW, OD, PO, A, E
(17)
Másica
GW, PO, A, E
(18)
Económica
GW, AD, OD, PO, A, E, HT, ET
(19)
Económica
GW, PO, A, E, Consumo energía
(20)
Unidad Funcional (UF)
Asignación
Residuos de
cáñamo
Residuos de
cáñamo
Paja de trigo
Cuna a Tumba
1 km recorrido por un FFV
Cuna a Tumba
Acacia
Cuna a Tumba
Sin asignación
GW, PO, A, E, Consumo energía
(21)
Sin asignación
GW, PO, A, E, Consumo energía
(22)
Másica
GW, PO, A, E, Consumo energía
(18)
Expansión del sistema
GW, PO, A, E, Consumo energía
(23)
Acacia
Cuna a Puerta
Recorrer 1 km en un FFV
Distancia recorrida por un vehículo con el tanque lleno de
gasolina convencional
1 km recorrido por un FFV, 1 kg de etanol puro
Mostaza etíope
Cuna a Tumba
1 km recorrido por un FFV, 1 kg de etanol puro
Mostaza etíope
Cuna a Tumba
Casava
Cuna a Tumba
Casava
Cuna a Tumba
1 km recorrido por un FFV
1 litro de gasolina equivalente consumida por un vehículo de
pasajeros para recorrer una distancia específica
1 MJ de combustible
-
GHG, Consumo energía
(24)
Eucalipto
Cuna a Tumba
1 km recorrido por un FFV
Sin asignación
GW, AD, OD, PO, A, E, HT, ET
(21)
Eucalipto
Cuna a Puerta
1 km recorrido por un FFV, 1 kg de etanol puro
Sin asignación
GW, PO, A, E, Consumo energía
(25)
Chopo
Cuna a Tumba
1 km recorrido por un FFV
(21)
Chopo
Cuna a Puerta
1 km recorrido por un FFV, 1 kg de etanol puro
Soja
Cuna a Tumba
Sorgo dulce
Másica
GW, PO, A, E, Consumo energía
Sin asignación
GW, PO, A, E, Consumo energía
(18)
1 MJ de combustible
-
GHG, Consumo energía
(24)
Cuna a Tumba
1 MJ de combustible
-
GHG, Consumo energía
(24)
Switchgrass
Cuna a Tumba
1 km recorrido por un FFV
Energética, Económica
GW, AD, OD, PO, A, E, HT, ET
(26)
Switchgrass
Cuna a Tumba
1 km recorrido por un FFV
Másica, Sustitución
GW, Contaminación atmosférica
(15)
Biomasa producida por 1Ha de plantación de sauce (SRC)
GW, AD, OD, PO, A, E, Consumo
Sauce
Cuna a Puerta
Económica
(27)
convertida en energía
energía
a
GW: Cambio climático, AD: Agotamiento de los recursos abióticos, OD: Agotamiento de la capa de ozono, PO: Formación de oxidantes fotoquímicos, A: Acidificación, E: Eutrofización, HT:
Toxicidad humana, ET: Ecotoxicidad
37
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 3.2. Tecnologías de conversión en el sistema de producción y uso del bioetanol (alcance “cuna-tumba”)
Cultivos Energéticos
Residuos Agrícolas
Clase
Tipo de Biomasa
Pretratamientoa
Producción de
enzima
Hidrólisis
Configuración
del procesob
Uso del bioetanolc
Referencia
Tallos de alfalfa
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85
(13)
Rastrojo de maíz
-
Excluido
Enzimática
-
FFV: E10, E85
(14)
Rastrojo de maíz
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E85
(15)
Residuos de lino
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85
(16)
Residuos de cáñamo
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85
(17)
Residuos de cáñamo
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85
(18)
Paja de trigo
SE, SEAC, DA, LHW, WO
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E100
(19)
Acacia
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85
(20)
Acacia
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E85
(21)
Mostaza etíope
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85
(22)
Mostaza etíope
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85
(18)
Casava
Licuefacción
Excluido
Enzimática
SSF
Auto: E10, E85
(23)
Casava
-
Excluido
-
-
1 MJ de combustible obtenido y utilizado
(24)
Eucalipto
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85, E100
(21)
Eucalipto
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E85
(25)
Chopo
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85
(21)
Chopo
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E85
(18)
Soja
-
Excluido
-
-
1 MJ de combustible obtenido y utilizado
(24)
Sorgo dulce
-
Excluido
-
-
1 MJ de combustible obtenido y utilizado
(24)
Switchgrass
AFEX
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E10, E85
(26)
Switchgrass
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
FFV: E85
(15)
Sauce
SEAC
Incluido
Enzimática
SSCF
Excluido
(27)
a
SEAC: Explosión por vapor con catalizador ácido, SE: Explosión por vapor; DA: Tratamiento con ácido diluido, LHW: Tratamiento con agua caliente líquida; WO: Oxidación húmeda,
AFEX: Explosión por vapor con amoniaco.
b
SSCF: Sacarificación y co-fermentación simultáneas, SSF: Sacarificación y fermentación simultáneas.
c
E10: Mezcla de gasolina convencional y 10% de bioetanol, E85: Mezcla de gasolina convencional y 85% de bioetanol, E100: 100% de bioetanol, FFV: vehículo modificado
38
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
3.1
2014
Cambio Climático
Con la información obtenida en la revisión bibliográfica, ordenada y homogenizada, se
ha elaborado una gráfica, en la que se observan los rangos de valores entre los que
fluctúan las emisiones de GEI debidas a la producción y uso de bioetanol
lignocelulósico (ver Figura 3.2). Esta gráfica muestra que las emisiones de GEI varían
entre -4,4 y 3,8 kg CO2eq/kg de bioetanol para E10; -4,8 y 3,4 kg CO2eq/kg de
bioetanol para E85; y -0,5 y 3,7 kg CO2eq/kg de bioetanol para E100, en comparación
con los 3,9 kg CO2eq debidos a la producción y uso de la gasolina convencional.
De acuerdo con los datos obtenidos, cuando se usa bioetanol lignocelulósico en las
actividades de transporte, las emisiones de GEI se reducen entre un 2 y 225%, en
comparación la gasolina convencional. Solamente cuando se usan residuos de lino y
residuos de cáñamo, las emisiones de GEI son mayores, entre un 3 y 47%. En ambos
casos, los altos valores se deben al método de asignación de cargas ambientales
considerado (asignación económica), en el subsistema de producción de la biomasa
(16; 17). Sin embargo, al considerar la asignación másica, los valores de emisiones de
GEI disminuyen, aún por debajo de los de la gasolina convencional (16; 17). Estos
efectos opuestos se deben a que el factor de asignación es más alto, lo cual implica
que a estas materias primas se les asigna una mayor fijación de CO2, compensando
las emisiones de GEI producidas en los otros procesos (16; 17).
En el caso de la mostaza etíope, se obtienen valores negativos de emisiones de GEI,
debido a que la fijación de CO2 durante el crecimiento de la planta es mayor que la
emisión de GEI durante todo el ciclo de vida (22). Esto se debe a que durante la
producción de esta biomasa, se requieren actividades agrícolas poco intensivas, y que
se utiliza todo el cultivo para la producción de bioetanol, por lo que se le asigna el
100% del CO2 secuestrado (18).
En el caso de la paja de trigo, el uso de bioetanol producido a partir de esta materia
prima en lugar de gasolina convencional, pude disminuir las emisiones de GEI entre un
39
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
40 y un 70%, aunque esto depende de la definición de los límites del sistema (19). En
el estudio realizado por Wang. et al, se lleva a cabo un análisis de sensibilidad de los
límites del sistema, considerando un escenario que incluye los impactos causados por
el uso de la paja de trigo como materia prima para la producción de bioetanol, en lugar
de utilizarla para fertilizar el suelo (19). Estos impactos se deben al aumento de las
emisiones de GEI causado por el uso adicional de fertilizantes para compensar la
pérdida de nutrientes del suelo, y a las emisiones de CO2 debidas a la pérdida de
carbono del suelo (19). Se concluye que, la producción de bioetanol utilizando los
pretratamientos SE, LHW y WO, continúa teniendo un mejor desempeño ambiental
que la gasolina convencional (19). Además, se sugiere que, cuando se utiliza la paja
de trigo para la producción de bioetanol, se debe prestar atención a la mejora de las
prácticas de gestión, de tal forma que se garantice que se deja en el campo la
cantidad suficiente paja para mantener la calidad del suelo y la productividad (19).
40
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
7,0
6,0
5,0
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
-2,0
-3,0
-4,0
-5,0
Residuos agrícolas
E100
E85
E10
-
-
EN
M
Soja
Sorgo
dulce
Switchgrass
Cultivos energéticos
GC
*M: Asignación Másica, E: Asignación Económica, SA: Sin asignación, EN: Asignación Energética
Figura 3.2: Emisiones de GEI
41
SEAC+ SSCF
SA
SEAC+ SSCF
SA
Eucalipto Chopo
AFEX+SSCF
Casava
-
-
-
SA
Mostaza
etíope
SEAC+ SSCF
SA
Acacia
SEAC+ SSCF
E
-
E
LQ+SHF+D
E
Paja de trigo
SEAC+ SSCF
E
SEAC+ SSCF
E
WO+SSCF
M
LHW+SSCF
SEAC+SSCF
E
Residuos de
cáñamo
SE+SSCF
DA+SSCF
E
SEAC+ SSCF
M
Residuos de lino
SEAC+ SSCF
M
SEAC+ SCF
M
Rastrojo de maíz
SEAC+ SSCF
E
SEAC+ SSCF
M
Tallos de
alfalfa
SEAC+ SSCF
SEAC+ SSCF
-6,0
SEAC+ SSCF
kg CO2eq/kg de bioetanol
4,0
E
Sauce
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
3.1.1 Contribución de cada subsistema al cambio climático
Con la información obtenida de la revisión bibliográfica, ordenada y homogenizada, se
ha elaborado una gráfica, en la que se han determinado las cargas ambientales
debidas a cada subsistema dentro del ciclo de vida del sistema de producción y uso
del bioetanol (ver Figura 3.3). Se ha considerado únicamente el uso de bioetanol puro
(E100), ya que así se pueden apreciar los impactos debidos al bioetanol, sin tener en
cuenta los de la gasolina convencional.
De acuerdo a los resultados obtenidos, el subsistema S2 es el que más contribuye al
impacto global, con valores entre 27 y 84%. Dentro del subsistema S2, existen dos
etapas que son las mayores responsables del impacto: i) la producción de energía,
con valores entre 17 y 60%, y ii) la conversión del bioetanol, con valores entre 6 y
43%. En ambos casos, el impacto se debe especialmente a las emisiones
relacionadas con la combustión (en su mayoría CO2) (19). El proceso de producción
de enzima también tiene una cierta contribución al subsistema S2, con valores entre 1
y 6%, así como también el proceso de producción de químicos, con valores entre 1 y
3%.
42
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
100
80
40
20
Electricidad excedente
Secuestro de carbono
0
S4: Subsistema de uso
S3: Subsistema de producción de las mezclas
-20
S2: Subsistema de produccion del bioetanol
S1: Subsistema de produccion de la biomasa
-40
Otros
-60
SA
SA
SA
SA
SA
Acacia
Residuos agricolas
Eucalipto
Chopo
EN
M
Switchgrass
Cultivos energeticos
Figura 3.3. Contribución por subsistema
43
SEAC+ SCF
E
SEAC+ SCF
E
AFEX+SCF
E
SEAC+ SCF
E
Paja de trigo
SEAC+ SCF
E
SEAC+ SCF
E
SEAC+ SCF
SEAC+SCF
M
SEAC+ SCF
DA+SCF
E
Residuos de lino
FP+SSF
SEAC+ SCF
M
WO+SCF
SEAC+ SCF
M
LHW+SCF
SEAC+ SCF
E
Rastrojo de
maiz
SE+SCF
SEAC+ SCF
M
Tallos
de
alfalfa
SEAC+ SCF
-80
SEAC+ SCF
Contribución por subsistema (%)
60
E
Sauce
*M: Asignación Másica,
E: Asignación Económica,
SA: Sin asignación,
EN: Asignación Energética
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
3.2
2014
Acidificación
Como en la categoría anterior, con la información obtenida en la revisión bibliográfica,
ordenada y homogenizada, se ha elaborado una gráfica, en la que se observan los
rangos de valores entre los que fluctúan los impactos por acidificación debidos a la
producción y uso del bioetanol (ver Figura 3.4). Esta gráfica muestra que los impactos
por acidificación varían entre 1,4 y 13,6 g SO2eq/kg de bioetanol para E10; 2,2 y 21 g
SO2eq/kg de bioetanol para E85; y 1,5 y 19,1 g SO2eq/kg de bioetanol para E100, en
comparación con los 11.2 g SO2eq debidos a la producción y uso de la gasolina
convencional.
De acuerdo a los resultados obtenidos, en todos los tipos de materia prima, el impacto
por acidificación se debe principalmente a las emisiones de SO2, NOx y NH3 durante la
producción de fertilizantes, uso de maquinaria agrícola y uso de fertilizantes
nitrogenados, dentro del subsistema de producción de la biomasa.
En seis tipos de materia prima (residuos de lino, residuos de cáñamo, rastrojo de maíz,
paja de trigo y chopo), el impacto por acidificación es mayor que el de la gasolina
convencional. En el caso de los residuos de lino, residuos de cáñamo y rastrojo de
maíz, los altos valores se deben al método de asignación de cargas ambientales
considerado (asignación másica), en el subsistema de producción de la biomasa (14;
16; 17). Sin embargo, al considerar una asignación económica, los valores
disminuyen, aún por debajo de los de la gasolina convencional (14; 16; 17). Estos
efectos opuestos se deben a que el factor de asignación es menor, lo cual implica que
a estas materias primas se les asignan en menor medida los impactos debidos a la
producción de la biomasa (14; 16; 17).
En el caso del chopo, ya que todo el cultivo se utiliza para la producción de bioetanol,
se le asigna el 100% de las cargas ambientales debidas a la producción de la biomasa
(21). Esto implica que cuando se incrementa el porcentaje de bioetanol en la mezcla,
44
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
el impacto por acidificación se incrementa entre un 46 y 492% en comparación con la
gasolina convencional, debido principalmente a las emisiones de NH3 procedentes de
la aplicación de fertilizantes nitrogenados (21).
En el caso de la paja de trigo, el impacto por acidificación se debe principalmente a los
procesos de producción de la enzima y del ácido sulfúrico usado en el pretratamiento
de la biomasa (DA y SEAC), durante las cuales se emite SO2 (19).
45
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
70
60
40
30
20
10
SEAC+ SSCF
SEAC+ SSCF
SEAC+ SSCF
SEAC+ SCF
SEAC+ SSCF
SEAC+ SSCF
DA+SSCF
SEAC+SSCF
SE+SSCF
LHW+SSCF
WO+SSCF
SEAC+ SSCF
SEAC+ SCF
SEAC+ SCF
SEAC+ SSCF
LQ+SHF+D
SEAC+ SSCF
SEAC+ SSCF
AFEX+SSCF
SEAC+ SSCF
0
SEAC+ SSCF
g SO2eq/kg de bioetanol
50
M
E
M
M
E
E
M
E
E
E
E
E
SA
SA
SA
SA
-
SA
SA
EN
EN
Tallos de
alfalfa
Rastojo de máiz
Residuos de lino
Residuos de cáñamo
Paja de trigo
Acacia
Residuos agrícolas
E100
E85
E10
Mostaza etíope
Casava
Eucalipto
Chopo
Switchgrass
Sauce
Cultivos energéticos
GC
*M: Asignación Másica, E: Asignación Económica, SA: Sin asignación, EN: Asignación Energética
Figura 3.4. Acidificación
46
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
3.3
2014
Eutrofización
Igual que en las categorías anteriores, con la información obtenida en la revisión
bibliográfica, ordenada y homogenizada, se ha elaborado una gráfica, en la que se
observan los rangos de valores entre los que fluctúan los impactos por eutrofización
debidos a la producción y uso del bioetanol (ver Figura 3.5). Esta gráfica muestra que
los impactos por eutrofización varían entre 0,4 y 4,8 g PO4-3eq/kg de bioetanol para
E10; 0,5 y 5,6 g PO4-3eq/kg de bioetanol para E85; y 0,6 y 6,4 g PO4-3eq/kg de
bioetanol para E100, en comparación con los 1,1 g PO4-3eq debidos a la producción y
uso de la gasolina convencional.
De acuerdo a los resultados obtenidos, en todos los tipos de materia prima el impacto
por eutrofización se debe principalmente a las emisiones de compuestos nitrogenados
(NH3 y NOx) y fósforo durante la aplicación de fertilizantes, y a las emisiones de
combustión durante el uso de maquinaria agrícola y producción de fertilizantes, dentro
del subsistema de producción de la biomasa. Solamente en dos tipos de materia prima
(acacia y mostaza etíope), el impacto por eutrofización es menor que el de la gasolina
convencional. En el caso de la acacia, esto se debe a los bajos niveles de insumos
agrícolas necesarios durante la producción de esta biomasa (21). En el caso de la
mostaza etíope, aunque su factor de asignación de cargas ambientales en el
subsistema de producción de la biomasa es el 100%, este cultivo presenta un alto
rendimiento, lo cual reduce el impacto por kilogramo de materia prima procesada (18).
En el caso de los residuos de lino, cuando se aplica la asignación másica como
método de asignación de cargas ambientales en el subsistema de producción de la
biomasa, el impacto por eutrofización es mucho mayor que el de la gasolina
convencional. Sin embargo, los resultados son completamente diferentes cuando se
considera la asignación económica (16). Estos efectos opuestos se deben a que el
factor de asignación es menor, lo cual implica que a estas materias primas se les
asignan en menor medida los impactos debidos a la producción de la biomasa (16).
47
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
60
55
50
40
35
30
25
20
15
10
5
SEAC+ SSCF
SEAC+ SSCF
SEAC+ SSCF
SEAC+ SCF
SEAC+ SSCF
SEAC+ SSCF
DA+SSCF
SEAC+SSCF
SE+SSCF
LHW+SSCF
WO+SSCF
SEAC+ SSCF
SEAC+ SCF
SEAC+ SCF
SEAC+ SSCF
LQ+SHF+D
SEAC+ SSCF
SEAC+ SSCF
AFEX+SSCF
SEAC+ SSCF
0
SEAC+ SSCF
g PO4-3eq/kg de bioetanol
45
M
E
M
M
E
E
M
E
E
E
E
E
SA
SA
SA
SA
-
SA
SA
EN
EN
Tallos de
alfalfa
Rastojo de máiz
Residuos de lino
Residuos de cáñamo
Paja de trigo
Acacia
Residuos agrícolas
E100
E85
E10
Mostaza etíope
Casava
Eucalipto
Chopo
Switchgrass
Sauce
Cultivos energéticos
GC
*M: Asignación Másica, E: Asignación Económica, SA: Sin asignación, EN: Asignación Energética
Figura 3.5. Eutrofización
48
CAPÍTULO 4
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
4. ACV DE LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE LA
PAJA DE TRIGO
4.1
Objetivo del trabajo
Los biocombustibles han sido reconocidos como una alternativa al uso de
combustibles fósiles durante décadas, y pueden ser producidos a partir de una
variedad de materias primas, incluyendo biomasa azucarada, aceites vegetales y
biomasa lignocelulósica (19). Dentro de la biomasa lignocelulósica, los residuos
agrícolas, como la paja de trigo, se constituyen como una opción muy prometedora
para la producción de bioetanol, ya que su uso no compite con los alimentos (19).
Asimismo, la paja de trigo es una abundante fuente de biomasa (28). La producción
mundial de paja de trigo en el año 2007 fue de aproximadamente 670 millones de
toneladas, de las cuales el 60% podría asignarse para propósitos energéticos (28). La
existencia de varias biorefinerías en Europa y Norteamérica que utilizan la paja de
trigo como materia prima para producir bioetanol, sugiere además que se la considera
como una opción económicamente atractiva (19).
La naturaleza lignocelulósica de paja de trigo hace que el pretratamiento sea una
etapa esencial, ya que las barreras físicas y químicas causadas por la estrecha
asociación de sus componentes principales, limitan en gran medida su susceptibilidad
a los bioprocesos de fermentación y sacarificación (29). Uno de los pretratamientos
físico – químicos más estudiados es el de explosión por vapor (30). Este tipo de
pretratamiento ha demostrado ser muy efectivo en residuos agrícolas, como la paja de
trigo (30). Sin embargo, durante la explosión por vapor se destruye una parte de los
xilanos de las hemicelulosas, y se producen compuestos inhibidores para los
microorganismos empleados en la fermentación, por lo cual se requiere un proceso de
desintoxicación del material pretratado (30). Una alternativa al pretratamiento por
explosión a vapor es el pretratamiento con hongos, que tiene bajos requerimientos
energéticos y produce un mínimo de desperdicios, además de co-productos con valor
51
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
añadido (30). Sin embargo, aún no ha podido ser implementado a nivel industrial,
debido a sus largos tiempos de incubación y su tasa de hidrólisis demasiado lenta
(30). Los hongos de la podredumbre blanca, como el Phanerochaete chrysosporium,
han demostrado mayor efectividad en el pretratamiento biológico de las materias
primas lignocelulósicas, sin embargo necesitan condiciones de crecimiento especiales
(30). No así Pleurotus eryngii y Irpex lacteus, que pueden crecer bajo condiciones
menos restrictivas (30).
El objetivo de este trabajo es evaluar el perfil ambiental asociado a la producción de
bioetanol a partir de la paja de trigo, considerando dos tipos de pretratamiento: i) el
pretratamiento biológico, utilizando hongos, y ii) el pretratamiento físico - químico,
utilizando explosión por vapor. El ACV se llevará a cabo desde la perspectiva “cuna –
puerta”, es decir, se cuantificarán las cargas ambientales desde la producción de las
materias primas hasta la puerta de la biorefinería, sin considerar las asociadas a su
uso final. Fundamentalmente, se evaluará el impacto ambiental de los dos tipos de
pretratamientos planteados, identificando su contribución al perfil ambiental, con el fin
de compararlos entre sí.
4.2
Alcance
Para definir el alcance del ACV se describe el sistema del proceso de producción del
bioetanol, su función, la unidad funcional elegida, los límites del sistema, los
procedimientos de asignación considerados, los requisitos de calidad de los datos y
las limitaciones y suposiciones, para dos escenarios: i) STEAMBIO, en donde se
plantea el uso del pretratamiento con explosión por vapor, y ii) BIOBIO, en donde se
plantea el uso del pretratamiento con hongos.
4.2.1 Función y unidad funcional
La función del sistema, en ambos escenarios, es la producción de bioetanol a partir de
la paja de trigo, por lo tanto, la unidad funcional será “1kg de etanol” producido.
52
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Es importante mencionar que, según la mayor parte de los estudios revisados en el
apartado 3 de este trabajo, la unidad funcional planteada es “1km de distancia
recorrido”, ya que el subsistema de uso final se considera dentro del alcance del ACV.
Sin embargo en este trabajo, este subsistema no se toma en cuenta, ya que como se
ha mencionado, el objetivo fundamental es la evaluación ambiental de los dos tipos de
pretratamientos planteados, para identificar la mejor opción.
4.2.2 Sistema y límites del sistema
El estudio del ACV se realiza desde una perspectiva “cuna – puerta”, abarcando seis
subsistemas dentro de los límites del sistema. Todas las entradas y salidas de materia
y energía relacionadas han sido identificadas (ver Figura 4.1 y Figura 4.2).
Figura 4.1. Sistema y límites del sistema para el escenario STEAMBIO
53
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Figura 4.2. Sistema y límites del sistema para el escenario BIOBIO
4.2.2.1 Subsistema agrícola (S1)
Este primer subsistema incluye todas las actividades necesarias para la producción del
trigo, desde septiembre cuando se empieza a trabajar la tierra, hasta junio cuando se
cosecha el grano y se empaca la paja (31). En ambos escenarios (STEAMBIO y
BIOBIO), este subsistema es el mismo.
La producción del trigo empieza con la preparación del campo (31). Esta etapa implica
la preparación del suelo durante el mes de septiembre, para lo cual se aplica abono
orgánico (digestato procedente de una planta de biogás), y se realiza el arado y
54
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
rastrillado del suelo, así como la siembra durante el mes de octubre (31). La siguiente
etapa es el crecimiento de la biomasa, para lo cual se realiza un control químico de la
maleza (con herbicidas), y una fertilización química en dos etapas: i) en noviembre,
utilizando nitrato de amonio, y ii) en febrero, aplicando urea (31). La etapa de cosecha
de la biomasa se lleva a cabo durante la primera quincena de junio, cuando la semilla
alcanza la madurez adecuada, utilizando una cosechadora que corta las plantas al
mismo tiempo que separa el grano de la paja (31). El rendimiento de producción
alcanzado es de 5,70 toneladas de grano por hectárea (sobre base seca), y 5,94
toneladas de paja por hectárea (sobre base seca), considerando un contenido de
humedad del 13% y 15%, respectivamente (31).
4.2.2.2 Subsistema de pretratamiento (S2)
El segundo subsistema abarca el transporte de la biomasa hasta la biorefinería y todos
los procesos necesarios para su pretratamiento. Ya que se han considerado dos tipos
de pretratamiento, este subsistema será distinto para cada escenario.
Escenario STEMABIO
La primera etapa de este subsistema es la recepción de la biomasa. A su llegada a la
biorefinería, la paja se manipula usando la maquinaria apropiada y se almacena a
temperatura ambiente, hasta su uso (30; 32). A continuación, se lleva a cabo la etapa
de acondicionamiento, que implica los procesos de desempaquetado, lavado y
reducción del tamaño de partícula (≤0,5mm) (30).
La paja acondicionada se mezcla con agua y a continuación se calienta hasta los
100°C, mediante vapor a alta presión (p=13atm) (33). A continuación la corriente se
envía al reactor de explosión por vapor, donde se inyecta vapor a alta presión para
mantener su temperatura en 180°C (33). El pretratamiento se lleva a cabo durante 10
minutos antes de una repentina liberación de presión, después de la cual, la corriente
se lleva a un tanque de purga, para vaporizar el ácido acético y otros inhibidores
55
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
orgánicos generados durante el pretratamiento (33). Finalmente, el vapor flash se
condensa, mediante intercambio de calor, y luego se envía a la depuradora en el
subsistema S5 (33). Las ecuaciones de transformación consideradas durante el
pretratamiento se muestran en la Tabla 4.1.
Tabla 4.1. Reacciones y conversiones para pretratamiento por explosión a vapor (19)
Grado de
conversión
Reacción
Glucano + H2O → Glucosa
10%
Glucano → Hidroximetilfurfural (HMF) + H2O
1.5%
Xilano + H2O → Xilosa
95%
Xilano → Furfural + H2O
0.35%
Arabinano + H2O → Arabinosa
94%
Galactano + H2O → Galactosa
100%
Lignina → Lignina soluble
18%
Escenario BIBIO
La etapa de recepción de la biomasa es similar a la descrita en el escenario
STEAMBIO. A continuación, se lleva a cabo la etapa de acondicionamiento, que
implica los procesos de desempaquetado, lavado, reducción del tamaño de partícula
(≤0,5mm) y tratamiento térmico (20min, p=6bar, 121°C) (30). Este último tiene el
objetivo de matar la mayoría de microorganismos endógenos que puedan dificultar la
actividad de los hongos (30). El proceso de producción del inóculo fúngico se lleva a
cabo en cultivos estáticos (28°C, 7 a 10 días) (30). Para llevar a cabo el pretratamiento
se ha seleccionado el hongo de la podredumbre blanca Irpex lacteus, que ha
demostrado tener rendimientos de hidrólisis de los azúcares similares a los alcanzados
en el pretratamiento por explosión a vapor (30).
La paja esterilizada y mezclada con agua, se mezcla con el inóculo fúngico y se
introduce en la instalación destinada a albergar el sustrato, en donde se lleva a cabo la
fermentación en estado sólido (28°C, 21 días) (30). Se considera que una instalación
similar a las naves de producción utilizadas para el cultivo industrial de setas ó
champiñones, podría ser una opción adecuada y económica para llevar a cabo esta
56
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
etapa (30). Sin embargo, dentro de la instalación, se deben mantener condiciones
adecuadas de humedad y aireación, para lograr: i) mantener la humedad del sustrato
durante todo el proceso, ii) remover el exceso de calor de las capas internas de pilas
de paja, y iii) mantener en la medida de lo posible, condiciones cuasi asépticas (30).
La última etapa de este subsistema es el baño alcalino suave del sustrato pretratado y
su posterior neutralización (30). Las ecuaciones de transformación consideradas
durante el pretratamiento se muestran en la Tabla 4.2.
Tabla 4.2. Reacciones y conversiones para pretratamiento biológico (30)
Grado de
conversión
Reacción
a
Celulosa + Nutrientes + 11Aire → Biomasa fúngica + 12CO2 + 15H2O
a
Hemicelulosa (Xilano) + Nutrientes + 8Aire → Biomasa fúngica + 9CO2 + 12H2O
a
Lignina + Nutrientes + 5Aire → Biomasa fúngica + 3CO2 + 6H2O
15%
20%
54%
a
En negrita, el agente limitante
4.2.2.3 Subsistema de sacarificación y fermentación (S3)
El tercer subsistema abarca todos los procesos necesarios para la sacarificación y
fermentación de la paja pretratada. En ambos escenarios (STEAMBIO y BIOBIO), este
subsistema es el mismo.
En este subsistema, además de la etapa de sacarificación y fermentación simultáneas
(en inglés: simultaneous saccharification and fermentation – SSF), se consideran las
etapas de cultivo de la levadura y de producción de la enzima.
La etapa de cultivo de la levadura P. tannophilus se lleva a cabo en un medio de
cultivo formado por extracto de malta, glucosa, micopeptona y agua (32.5°C, 10 horas)
(30). La producción de la enzima se lleva a cabo mediante la fermentación aerobia de
un sustrato compuesto por glucosa y agua, por el hongo T. reesei (34). Inicialmente se
añaden glucosa (como fuente de carbono) y nutrientes (licor de maíz, amoniaco y
SO2), y después del periodo inicial de crecimiento celular, se añade un sustrato
adicional para mantener la producción (34). Cuando el hongo crece sobre el sustrato,
secreta enzimas (34).
57
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Durante la etapa de SSF, se llevan a cavo dos procesos: i) una hidrólisis enzimática a
50°C durante 10 horas, usando una combinación de enzimas hemicelulóticas (βxilodasa y xilanasa), y ii) una SSF durante 72 horas, introduciendo inicialmente la
levadura P. tannophilus para fermentar las pentosas liberadas de la hemicelulosa (24
horas), y añadiendo enzimas celulósicas (celulasa y β-glucosidasa) para llevar a cabo
la sacarificación de la celulosa y la fermentación de la glucosa (38 horas) (30). Como
resultado de esta etapa se tiene un caldo, con un contenido de bioetanol del 8% en el
escenario STEAMBIO, y del 4% en el escenario BIOBIO. Esta corriente será
introducida en el siguiente subsistema, para su destilación y deshidratación (30). Las
ecuaciones de transformación consideradas durante la sacarificación y fermentación
se muestran en la Tabla 4.3.
Tabla 4.3. Reacciones y conversiones para sacarificación y fermentación (30)
Grado de conversión
Reacción
Sacarificación
a
Celulosa + 2H2O → 3Glucosa
a
Hemicelulosa (Xilano) + 2H2O → 3Xilosa
a
Glucosa → 2Etanol + 2CO2
a
3Xilosa → 5Etanol + 5CO2
65%
SSF
67%
70%
75%
-
90%
-
75%
a
En negrita, el agente limitante
4.2.2.4 Subsistema de recuperación del producto (S4)
El cuarto subsistema abarca todos los procesos necesarios para la recuperación del
bioetanol. En ambos escenarios (STEAMBIO y BIOBIO), este subsistema es el mismo.
El caldo procedente del subsistema anterior, con un bajo contenido de bioetanol, se
concentra en una ó dos columnas de destilación, dependiendo de la carga inicial de
sólidos (30). Las cabezas de las columnas de destilación van a una etapa de
destilación mediante columnas de rectificación, y a continuación, las cabezas de las
columnas de rectificación van a una etapa final de deshidratación, mediante tamices
moleculares (30). El resultado es una corriente con un contenido de bioetanol del
99.9%.
58
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Las colas de las columnas de destilación y rectificación, y de los tamices moleculares
se llevan a una serie de evaporadores de doble efecto (30). En el primer evaporador
aproximadamente el 30% del agua contenida en la corriente se evapora debido al
calor proporcionado por vapor a alta presión (30). A continuación, la corriente se envía
a un filtro prensa, para separar la fracción sólida (rica en lignina), de la fracción líquida
(30). La fracción líquida se envía a un segundo evaporador, donde se evapora un 45%
del agua restante, y luego a un tercer evaporador, de donde se obtiene un jarabe
condensado, después de eliminar el 80% del agua restante (30). La torta sólida se
combina con el jarabe, y se envía a la caldera para la producción de energía (30). Esta
corriente tiene un contenido de humedad menor al 45% (30). La fracción líquida
restante se envía a la depuradora para ser tratada (30).
4.2.2.5 Subsistema de actividades auxiliares (S5)
El quinto subsistema abarca todos los procesos necesarios para la producción de
energía y la depuración de las aguas residuales producidas en los subsistemas
anteriores. En ambos escenarios (STEAMBIO y BIOBIO), este subsistema es el
mismo.
La etapa de depuración del agua residual incluye los procesos de digestión anaerobia
y digestión aerobia (33). Su objetivo es tratar el agua residual y reciclarla, usándola
para la generación de energía, reduciendo al mínimo la cantidad de agua descargada
al medio ambiente, así como la necesidad de comprar agua (33). Durante el proceso
de digestión anaerobia, el 91% de la materia orgánica se convierte en biogás (metano)
y en biomasa celular (lodos), mientras que, durante el proceso de digestión aerobia se
elimina el 96% de la materia orgánica soluble restante (33).
La etapa de producción de energía (electricidad, calor y vapor) se lleva a cabo
alimentando la cámara de combustión con el jarabe concentrado y la torta sólida
separada de las colas de destilación, y el metano y los lodos producidos en la etapa de
59
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
depuración (33). La eficiencia de la caldera y el generador se supone entre un 80 y
85%, respectivamente (33). El vapor a alta presión que se usa en el pretratamiento por
explosión a vapor (escenario STEAMBIO), se extrae de la turbina, así como también el
calor necesario para satisfacer los requerimientos de calor en cada subsistema (33).
La electricidad generada se usa para satisfacer los requerimientos energéticos en
cada subsistema, y si se produce electricidad excedente, esta puede ser vendida
como co-producto a la red eléctrica nacional (33).
4.2.2.6 Subsistema de producción evitada de electricidad (S6)
El sexto subsistema considera la producción en la red eléctrica española de la misma
cantidad de electricidad excedente, generada en el subsistema S5. En ambos
escenarios (STEAMBIO y BIOBIO), este subsistema es el mismo.
La producción de electricidad en la red eléctrica española incluye la producción
nacional, y las importaciones procedentes de los países vecinos (Francia y Portugal)
(35). No se incluyen las pérdidas de transformación, de transporte ni de distribución
(35). Su composición es la siguiente: 27% carbón, 28% fuel/gas, 12% hidráulica, 22%
nuclear, 0.04% solar fotovoltaica, 6% eólica, 2% cogeneración, 3% importación (35).
4.2.3 Procedimientos de asignación de cargas
Pocos procesos industriales producen una única salida ó están basados en una
relación lineal entre las entradas y salidas (10). De hecho, la mayoría de procesos
industriales, producen más de un producto y reciclan los productos intermedios, o los
residuos de los productos (10). Si esto ocurre deben asignarse las cargas ambientales
correspondientes a cada coproducto. En este trabajo hay cuatro posibles casos de
asignación de cargas:
1. En el subsistema S1, se producen grano y paja, utilizándose esta última como
materia prima para la producción del bioetanol. En este caso, se realiza una
asignación económica, en función del valor económico de estos dos productos.
60
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Considerando el rendimiento de producción del grano en 6,55 toneladas por
hectárea (en base seca), y de la paja en 5,94 toneladas por hectárea (en base
seca), y los precios del grano y de la paja en 283 y 50 euros por tonelada,
respectivamente, se tiene que el 84.14% de las cargas ambientales asociadas
a la producción del trigo se asignan al grano, y el 15.86% a la paja (31).
2. En el subsistema S4, se producen bioetanol, aguas residuales y una corriente
mezcla de jarabe concentrado y residuos sólidos. En este caso, el bioetanol
recibe el 100% de las cargas ambientales, ya que las aguas residuales, el
jarabe concentrado y los residuos sólidos se recirculan y se valorizan,
quemándose dentro de la propia biorefinería para producir los requerimientos
energéticos de la misma.
3. En la etapa de producción de energía en el subsistema S5, se producen
electricidad y calor, que se utilizan en la biorefinería para cubrir las
necesidades energéticas en todos los subsistemas. En este caso se realiza
una asignación en función de las propiedades físicas de los productos
(contenido energético). En el escenario STEAMBIO, el 13% de las cargas
ambientales se asignan a la producción de electricidad, 81% a la producción de
calor y 5% a la producción del vapor a alta presión, usado para el
pretratamiento en el subsistema S2. En el escenario BIOBIO, el 13% de las
cargas ambientales se asignan a la producción de electricidad, mientras que el
restante 87% se asigna a la producción de calor.
4. Como productos de todo el sistema se tienen al bioetanol y la electricidad
excedente. En este caso se realiza una expansión del sistema, lo cual implica
que se considera dentro de los límites del sistema la producción de la
electricidad evitada, por lo que se asigna el 100% de las cargas ambientales al
bioetanol (19).
61
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
4.2.4 Requisitos de calidad de los datos
Los requisitos de calidad de los datos especifican, en términos generales, las
características de los datos necesarios para el estudio (10). Esta es una parte crítica
en el estudio, puesto que la fiabilidad de los datos implicará el grado de interpretación
del sistema y, por tanto, del fin último del ACV (10).
En este trabajo, los dos escenarios considerados, STEAMBIO y BIOBIO, han sido
modelados escala industrial en el programa Aspen Plus™ v 7.3 (Aspen Technology,
Inc, MA, USA), es decir, que las entradas y salidas de masa y energía obtenidas, son
datos reales (datos primarios). En los casos en los que no ha sido posible acceder a
datos reales se ha recurrido a datos bibliográficos (datos secundarios), como se
muestra en la Tabla 4.4.
Tabla 4.4. Fuentes de los datos secundarios de inventario
Datos de inventario requeridos
Fuente de datos
Subsistema agrícola
Noya et. al (31)
Producción de enzima
Reporte NREL 2011 (34)
Producción de químicos y nutrientes, transporte de materia
prima, químicos y nutrientes (modo, capacidad)
Base de datos ecoinvent ® (35)
Consumos eléctricos
Reporte NREL 2011 (34), Zimbardi et. al
(32), López Abelairas M. (30)
Perfil ambiental de la electricidad producida en la red
eléctrica española
Base de datos ecoinvent ® (35)
4.3
Inventario del Ciclo de Vida (ICV)
El análisis del inventario implica la cuantificación de los flujos de materia y energía.
Incluye la recopilación de los datos y los procedimientos de cálculo para cuantificar las
entradas y salidas de los subsistemas definidos, las entradas son las materias primas
y energía y las salidas son las emisiones y vertidos al aire, agua y suelo.
4.3.1 Subsistema agrícola (S1)
En este subsistema se produce la paja de trigo, usada para la producción de bioetanol.
Este incluye todos los procesos involucrados en el cultivo y cosecha de la biomasa.
62
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Las entradas de semillas, fertilizantes y herbicidas, y el consumo de diesel, así como
también, las emisiones derivadas de la aplicación de los fertilizantes y de la
combustión del diesel en la maquinaria agrícola se han tomado de la bibliografía (31).
También se tiene en cuenta el dióxido de carbono absorbido durante el crecimiento de
la biomasa (31). Los datos de inventario para las semillas, fertilizantes, herbicidas,
diesel y la maquinaria necesaria para las actividades agrícolas se han tomado de la
base de datos ecoinvent ® (35).
Ya que se consideran dos tipos de pretratamiento, el ICV es distinto para cada
escenario, como se muestra en la Tabla 4.5 y la Tabla 4.6.
Tabla 4.5. Datos inventario para S1, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol) (31)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Cantidad
Fertilizantes
Digestato
Camión >16ton
a
47,0 g
Urea
47,0 g
b
Cantidad
1,6 t•km
31,3 kg
Nitrato amonio
Pesticidas
Transporte
3,9 g
Diesel
68,2 g
Semillas
157 g
Salidas a la tecnosfera
Materiales
Cantidad
Paja de trigo, hacia S2
4,7 kg
a
Digestato: 5,36 % material seca; 0,4% N total; 0,2% N-NH4; 0,080% P; 0,314% K
b
Terbutilazine + Alachor
Tabla 4.6. Datos inventario para S1, escenario BIOMBIO (por kg de bioetanol) (31)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Cantidad
Fertilizantes
Digestato
Camión >16ton
a
67,0 g
Urea
67,0 g
b
Cantidad
2,3 t•km
44,6 kg
Nitrato amonio
Pesticidas
Transporte
5,6 g
Diesel
97,2 g
Semillas
223 g
Salidas a la tecnosfera
Materiales
Cantidad
Paja de trigo, hacia S2
6,6 kg
a
Digestato: 5,36 % material seca; 0,4% N total; 0,2% N-NH4; 0,080% P; 0,314% K
b
Terbutilazine + Alachor
63
2014
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
4.3.2 Subsistema de pretratamiento (S2)
Este subsistema incluye el transporte de la biomasa hasta la biorefinería y todos los
procesos necesarios para su pretratamiento.
El transporte de la paja de trigo hasta la biorefinería se realiza en un camión de más
de 16 toneladas de capacidad, cuyos datos de fabricación se obtuvieron de la base de
datos ecoinvent ® (35). La distancia de transporte considerada es 25 kilómetros, ya
que se asume que la biorefinería debe ubicarse cerca de la plantación de la biomasa.
En el escenario BIOBIO hay que transportar además, químicos y nutrientes, para lo
cual se ha considerado una distancia de 50 kilómetros. En el transporte, sólo se
considera el camión de ida cargado con la biomasa, no el camión vacío al volver.
En ambos escenarios, las entradas paja de trigo, agua, químicos y nutrientes, y las
emisiones al aire, agua ó suelo se obtuvieron de la simulación, así como también el
consumo de calor. El consumo de electricidad se obtuvo de la bibliografía (30; 32; 34).
Los datos de inventarios para los nutrientes y químicos, se obtuvieron de la base de
datos ecoinvent ® (35). La paja de trigo proviene del subsistema S1, mientras que la
energía eléctrica y calorífica proviene de la etapa de producción de energía, en el
subsistema S5. Ya que se han considerado dos tipos de pretratamiento, el ICV es
distinto para cada escenario, como se muestra en la Tabla 4.7 y la Tabla 4.8.
Tabla 4.7. Datos inventario para S2, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Paja de trigo, desde S1
Vapor a alta presión, desde S5
Cantidad
Energía
Cantidad
4,7 kg
Electricidad
5,2 MJ
5,2 kg
Transporte
Cantidad
Camión >16ton
116 kg•km
Entradas desde el medio ambiente
Materiales
Cantidad
Agua
7,2 L
Salidas a la tecnosfera
Materiales
Paja de trigo pretratada, hacia S3
Salidas al medio ambiente
Cantidad
Emisiones al aire
17,0 kg
Ácido acético (C2H4O2)
64
Cantidad
37,7 g
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 4.8. Datos inventario para S2, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Energía
Cantidad
Paja de trigo, desde S1
Cantidad
6,6 kg
Electricidad
3,1 MJ
Hidróxido de sodio (NaOH 50% en H2O)
299 g
Calor
218 MJ
Ácido sulfúrico (H2SO4)
192 g
Transporte
Sulfato de hierro (FeSO4)
14,8 mg
Camión >16ton
Sulfato de amonio ((NH4)2SO4) como N
70,6 mg
Químicos orgánicos
4,0 g
Químicos inorgánicos
2,5 g
Cantidad
191 kg•km
Entradas desde el medio ambiente
Materiales
Cantidad
Cantidad
Agua
28,0 L
Salidas a la tecnosfera
Salidas al medio ambiente
Materiales
Cantidad
Emisiones al aire
Cantidad
Paja de trigo pretratada, hacia S3
32,8 kg
Ácido acético (C2H4O2)
2,2 g
Ácido láctico (C3H6O3)
1,3 kg
CO2
1,2 kg
4.3.3 Subsistema de sacarificación y fermentación (S3)
Este subsistema incluye el transporte de los nutrientes y químicos hasta la biorefinería,
así como también todos los procesos involucrados en la sacarificación y fermentación
de la paja de trigo pretratada.
El transporte de los nutrientes y químicos hasta la biorefinería se realiza en un camión
de más de 16 toneladas de capacidad, cuyos datos de fabricación se obtuvieron de la
base de datos ecoinvent ® (35). La distancia de transporte considerada es 50
kilómetros, y sólo se considera el camión de ida cargado, no el camión vacío al volver.
En ambos escenarios, las entradas de paja de trigo pretratada, agua, químicos y
nutrientes, y las emisiones al aire, agua ó suelo se obtuvieron de la simulación, así
como también el consumo de calor. El consumo de electricidad se obtuvo de la
bibliografía (34). Los datos de inventarios para los nutrientes y químicos, se obtuvieron
de la base de datos ecoinvent ® (35). Los datos de inventario para la producción de la
enzima se obtuvieron de la bibliografía (34). La paja de trigo pretratada proviene del
65
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
subsistema S2, mientras que la energía eléctrica y calorífica proviene de la etapa de
producción de energía, en el subsistema S5.
Ya que se han considerado dos tipos de pretratamiento, el ICV es distinto para cada
escenario, como se muestra en la Tabla 4.9 y la Tabla 4.10, mientras que en la Tabla
4.11, se muestra el ICV de la producción de la enzima.
Tabla 4.9. Datos inventario para S3, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Paja de trigo pretratada, desde S2
Enzima
Cantidad
Energía
Cantidad
17,0 kg
Electricidad
1,4 MJ
0,74 kg
Transporte
Cantidad
Camión de 16ton
5,8 kg•km
Sulfato de amonio ((NH4)2SO4) como N
1,9 g
Químicos orgánicos
110 g
Químicos inorgánicos
3,5 g
Entradas desde el medio ambiente
Materiales
Cantidad
Agua
1,1 L
Salidas a la tecnosfera
Materiales
Caldo, hacia S4
Salidas al medio ambiente
Cantidad
17,8 kg
Emisiones al aire
Cantidad
CO2
1,2 kg
Tabla 4.10. Datos inventario para S3, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Paja pretratada, desde S2
Cantidad
Energía
Cantidad
32,8 kg
Electricidad
1,1 kg
Transporte
Cantidad
Sulfato de amonio ((NH4)2SO4) como N
2,8 g
Camión>16ton
8,2 kg•km
Químicos orgánicos
156 g
Químicos inorgánicos
5,0 g
Enzima
0,41 MJ
Entradas desde el medio ambiente
Materiales
Cantidad
Agua
1,6 L
Salidas a la tecnosfera
Materiales
Caldo, hacia S4
Salidas al medio ambiente
Cantidad
32,2 kg
66
Emisiones al aire
Cantidad
Ácido láctico (C2H4O2)
2,7 g
CO2
1,2 kg
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 4.11. Datos inventario para la producción de enzima (por kg de enzima) (34)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Energía
Cantidad
1,2 g
Electricidad
1,4 MJ
Amoniaco (NH3)
8,3 g
Transporte
Cantidad
Químicos orgánicos
217 g
Camión >16ton
1,4 kg•km
Dióxido de azufre (SO2)
Cantidad
Entradas desde el medio ambiente
Materiales
Cantidad
Agua
0,83 L
Salidas a la tecnosfera
Materiales
Enzima
Salidas al medio ambiente
Cantidad
1,0 kg
Emisiones al aire
CO2
Cantidad
172 g
4.3.4 Subsistema de recuperación del producto (S4)
Este subsistema incluye todos los procesos involucrados en la destilación y
deshidratación del caldo obtenido en el subsistema S3. El contenido de bioetanol en
esta corriente es del 8% para el escenario STEAMBIO, y del 4% para el escenario
BIOBIO.
En ambos escenarios, la única entrada a este subsistema es el caldo, cuyos datos se
obtuvieron de la simulación, así como también, las emisiones al aire, agua ó suelo, y el
consumo de calor. El consumo de electricidad se obtuvo de la bibliografía (34). El
caldo proviene del subsistema S3, mientras que la energía eléctrica y calorífica
proviene de la etapa de producción de energía, en el subsistema S5.
Ya que se han considerado dos tipos de pretratamiento, el ICV es distinto para cada
escenario, como se muestra en la Tabla 4.12 y Tabla 4.13.
67
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 4.12. Datos inventario para S4, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Caldo, desde S3
Cantidad
17,8 kg
Energía
Cantidad
Electricidad
0,34 MJ
Calor
257 MJ
Entradas desde el medio ambiente
Materiales
Cantidad
Salidas a la tecnosfera
Materiales
Etanol (99,9%)
Agua residual, hacia S5
Jarabe y residuos sólidos, hacia S5
Salidas al medio ambiente
Cantidad
1,0 kg
Emisiones al aire
Cantidad
Bioetanol
23,4 g
11,1 kg
5,6 kg
Tabla 4.13. Datos inventario para S4, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Caldo, desde S3
Cantidad
32,2 kg
Energía
Cantidad
Electricidad
0,34 MJ
Calor
307 MJ
Entradas desde el medio ambiente
Materiales
Cantidad
Salidas a la tecnosfera
Materiales
Etanol (99,9%)
Salidas al medio ambiente
Cantidad
1,0 kg
Agua residual, hacia S5
19,4 kg
Jarabe y residuos sólidos, hacia S5
16,4 kg
Emisiones al aire
Cantidad
Bioetanol
24,8 g
4.3.5 Subsistema de actividades auxiliares (S5)
Este subsistema incluye el transporte de los nutrientes hasta la biorefinería, así como
también todos los procesos involucrados en la producción de energía y la depuración
de las aguas residuales producidas en los subsistemas anteriores.
El transporte de los nutrientes hasta la biorefinería se realiza en un camión de más de
16 toneladas de capacidad, cuyos datos de fabricación se obtuvieron de la base de
datos ecoinvent ® (35). La distancia de transporte considerada es 50 kilómetros, y sólo
se considera el camión de ida cargado, no el camión vacío al volver.
68
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
En ambos escenarios, las entradas de agua residual, jarabe y residuos sólidos,
nutrientes y agua, y las emisiones al aire, agua ó suelo se obtuvieron de la simulación,
así como también el consumo de calor. El consumo de electricidad se obtuvo de la
bibliografía (34). Los datos de inventario para el agua y nutrientes, se obtuvieron de la
base de datos ecoinvent ® (35). El agua residual, jarabe y residuos sólidos provienen
del subsistema S4, mientras que la energía eléctrica y calorífica utilizada, es la
generada en este subsistema. Ya que se han considerado dos tipos de pretratamiento,
el ICV es distinto para cada escenario, como se muestra en la Tabla 4.14 y Tabla
4.15.
Tabla 4.14. Datos inventario para S5, escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Cantidad
Energía
Agua residual, desde S5
11.1 kg
Electricidad
5.6 kg
Transporte
Jarabe y residuos sólidos, desde S5
Amoniaco (NH3)
78.7 g
Camión de 16ton
Cantidad
1.4 MJ
Cantidad
3.9 kg•km
Entradas desde el medio ambiente
Materiales
Cantidad
Agua
109 L
Salidas a la tecnosfera
Salidas al medio ambiente
Materiales
Cantidad
Emisiones al aire
Cantidad
Electricidad producida
40.6 MJ
CO2
0.42 kg
Calor producido
256 MJ
64.1 g
Vapor a alta presión, hacia S2
5.2 kg
Amoniaco (NH3)
Metano (CH4)
80.5 g
Tabla 4.15. Datos inventario para S5, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol)
Entradas desde la tecnosfera
Materiales
Cantidad
Energía
Cantidad
Agua residual, desde S5
19.4 kg
Electricidad
1.4 MJ
Jarabe y residuos sólidos, desde S5
16.4 kg
Transporte
Amoniaco (NH3)
8.5 g
Camión de 16ton
Cantidad
0.43 kg•km
Entradas desde el medio ambiente
Materiales
Cantidad
Agua
215 L
Salidas a la tecnosfera
Salidas al medio ambiente
Materiales
Cantidad
Emisiones al aire
Cantidad
Electricidad producida
80.4 MJ
CO2
1.7 kg
Calor producido
535 MJ
Amoniaco (NH3)
Metano (CH4)
5.0 g
69
4.4 g
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
4.3.6 Subsistema de producción evitada de electricidad (S6)
El ICV para el perfil eléctrico español se ha obtenido de la base de datos ecoinvent ®,
y en ambos escenarios es el mismo (35).
70
CAPÍTULO 5
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
5. EVALUACIÓN DE IMPACTO DEL CICLO DE VIDA (EICV)
Esta etapa del ACV tiene como propósito evaluar cuán significativos son los impactos
ambientales potenciales utilizando los resultados del ICV (10). En general, este
proceso implica la asociación de los datos de inventario a las categorías de impactos
ambientales específicos, y a los indicadores de estas categorías para entender los
impactos (10). La recopilación de resultados de los indicadores, llamado también perfil
de la EICV, proporciona información sobre los asuntos ambientales asociados con las
entradas y salidas del sistema del producto, proceso o servicio (10).
Como se ha mencionado en el apartado 2 de este trabajo, el EICV incluye elementos
obligatorios: i) selección de las categorías de impacto, indicadores de categoría y
modelos de caracterización, ii) clasificación, y iii) caracterización, y elementos
opcionales: i) normalización, ii) agrupación, y iii) ponderación.
Para la evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo,
en el EICV se incluyen los elementos obligatorios y la normalización. En cuanto al
método de EICV, en este trabajo se ha empleado un método “midpoint”,
concretamente el ReCiPe, que es una síntesis de los métodos CML2001 y EcoIndicator99 (11).
5.1
Selección de las categorías de impacto
Según la Norma ISO-14040, una categoría de impacto es una clase que representa
asuntos ambientales de interés, a la cual se pueden asignar los resultados del análisis
del inventario del ciclo de vida (10).
En este trabajo se han considerado once categorías de impacto de acuerdo al método
ReCiPe: cambio climático (CC), agotamiento de la capa de ozono (OD), formación de
oxidantes fotoquímicos (POF), acidificación (TA), eutrofización del agua dulce (FE),
eutrofización marina (ME), toxicidad humana (HT), ecotoxicidad al suelo (TET),
ecotoxicidad al agua dulce (FET), ecotoxicidad marina (MET), y agotamiento de los
73
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
combustibles fósiles (FD). Todas estas categorías son de muy importantes para la
evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo, como
se muestra a continuación:
5.1.1 Cambio Climático (CC)
El cambio climático provoca una serie de mecanismos ambientales que afectan tanto a
la salud humana como al ecosistema (11). Se debe principalmente a la emisión de GEI
como el dióxido de carbono (CO2), óxido de nitrógeno (N2O) y metano (CH4) durante la
mayoría de procesos dentro ciclo de vida del bioetanol, principalmente en las
actividades preliminares, como la producción de agroquímicos y químicos (19; 36).
Esta categoría de impacto se cuantifica en relación al dióxido de carbono emitido a la
atmósfera (kg de CO2 equivalentes), y su ámbito geográfico es mundial (11).
5.1.2 Agotamiento de la capa de ozono (OD)
El ozono se forma y se destruye continuamente por la acción de la luz solar y de
ciertas reacciones químicas en la estratósfera (11). El agotamiento de la capa de
ozono se produce si la tasa de destrucción de ozono se incrementa, debido a la
emisión de sustancias cloradas y bromadas que persisten en la atmósfera (CFC’s,
HCFC’s, HBFC’s, halones, CCl4, CH3CCl3, CH3Br), especialmente durante las
actividades preliminares, como la producción de agroquímicos, químicos y nutrientes
(11; 19; 36). Esta categoría de impacto se cuantifica en relación al triclorofluorometano
emitido a la atmósfera (kg de CFC-11 equivalentes), y su ámbito geográfico es
mundial (11).
5.1.3 Acidificación (TA)
La acidificación se produce por la emisión de dióxido de azufre (SO2), óxidos de
nitrógeno (NOx) y amoníaco (NH3), especialmente durante el cultivo de la paja de trigo,
debido al uso de maquinaria agrícola y de fertilizantes nitrogenados, y a las
actividades preliminares como la producción de agroquímicos (11; 19; 36). Estas
74
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
sustancias, en combinación otras, se propagan en la atmósfera y se convierten en
ácidos, que llegan a la superficie terrestre en forma de lluvia ó niebla (13). Las lluvias
ácidas reducen el pH del suelo, lo cual produce el agotamiento de sus nutrientes, y la
contaminación del agua subterránea con metales (13). Este indicador se cuantifica en
relación al dióxido de azufre emitido a la atmósfera (kg de SO2 equivalentes) y su
ámbito geográfico es regional (11).
5.1.4 Formación de oxidantes fotoquímicos (POF)
La formación de oxidantes fotoquímicos, como el llamado smog de verano, se debe a
las reacciones fotoquímicas entre los NOx y NMVOC (11; 19). Durante el cultivo de la
biomasa, se emiten CO y NMVOC, debido al uso de la maquinaria agrícola (36).
Además, en el proceso de conversión del bioetanol, se producen emisiones difusas de
etanol, que también contribuyen a la formación de oxidantes fotoquímicos (36). Esta
categoría de impacto se cuantifica en relación a los compuestos orgánicos volátiles no
metánicos emitidos a la atmósfera (kg de NMVOC equivalentes) y su ámbito
geográfico es regional (11).
5.1.5 Eutrofización acuática
El método ReCiPe considera dos tipos de eutrofización acuática: eutrofización del
agua dulce (FE) y eutrofización marina (ME) (11). Estas dos categorías de impacto
tienen un ámbito geográfico regional, y se cuantifican en relación al fósforo emitido al
agua (kg de P equivalentes), y al nitrógeno emitido al agua (kg de N equivalentes),
respectivamente (11). La eutrofización acuática se puede definir como el aumento no
deseado de nutrientes en un medio acuático (11). Esto se debe principalmente a las
emisiones de NH3, NOx y fósforo durante el cultivo de la biomasa, debido a la
aplicación de fertilizantes, al uso de maquinaria agrícola, y a las actividades
preliminares, como la producción de agroquímicos y químicos (19). El aumento de
nutrientes en un medio acuático daña gravemente a los ecosistemas acuáticos, ya que
75
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
se potencia el crecimiento de ciertas poblaciones, como las algas (13). Cuando estas
poblaciones se degradan, consumen una gran cantidad de oxígeno, provocando la
muerte de la biocenosis acuática (13).
5.1.6 Toxicidad y Ecotoxicidad
El método ReCiPe considera la toxicidad humana (HT) y tres tipos de ecotoxicidad:
ecotoxicidad al suelo (TET), ecotoxicidad al agua dulce (FET), y ecotoxicidad marina
(MET) (11; 36). Estas cuatro categorías de impacto tienen un ámbito geográfico
mundial, y se cuantifican en relación al 1,4 diclorobenceno emitido a la atmósfera (kg
de 1,4-DB equivalentes) (11). La toxicidad y ecotoxicidad dependen de la toxicidad
inherente (capacidad de causar algún efecto nocivo sobre un organismo vivo), del
grado de exposición (acumulación en la cadena alimentaria humana), y de la
persistencia de una sustancia química (11). En todas estas categorías, el impacto se
debe principalmente a la emisión de metales pesados, SO2 y NOx durante las
actividades preliminares, como la producción de agroquímicos y químicos (19; 36).
5.1.7 Agotamiento de los combustibles fósiles (FD)
El término combustible fósil se refiere a un grupo de recursos energéticos que
contienen hidrocarburos, como el carbón, petróleo, crudo y gas natural (11). Esta
categoría de impacto se usa ampliamente para evaluar el uso de la energía, en
términos de consumo de carbón, petróleo, crudo y gas natural, y se cuantifica en
relación a la cantidad de petróleo en la tierra (kg de petróleo equivalentes) (11; 19).
5.2
Interpretación de resultados
En este trabajo, el ciclo de vida “cuna-puerta” de la producción de bioetanol a partir de
la paja de trigo, para los dos escenarios considerados, STEAMBIO y BIOBIO, ha sido
modelado en el programa SimaPro v.7.3.3. (37). A continuación se muestran los
resultados obtenidos, así como también la evaluación ambiental de los mismos:
76
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
5.2.1 Evaluación ambiental escenario STEAMBIO
En la Tabla 5.1, se muestra el perfil ambiental del escenario STEAMBIO, además del
perfil ambiental de cada uno de los subsistemas definidos para este escenario. Cada
una de las categorías de impacto han sido cuantificadas en relación a su unidad de
referencia. Además, en la Figura 5.1, se muestra la contribución relativa de cada
subsistema, en donde el 100% representa el impacto total.
Tabla 5.1. Resultados ACV escenario STEAMBIO (por kg de bioetanol)
Categoría
Unidad
de
impacto
CC
g CO2 eq
Subsistema Subsistema Subsistema Subsistema Subsistema Subsistema
Total
S1
S2
S3
S4
S5
S6
-1936
OD
mg CFC-11 eq 2,8•10-2
POF
g NMVOC
TA
6,4•10-1
g SO2 eq
12,4
1849
0
2321
-4663
-2417
1,9•10-3
4,3•10-2
0
2,3•10-2
-2,8•10-1
-1,8•10-1
1,6
15,8
2,3•10-1
-18,9
5,7
1,6
0
141
-39,1
107
6,3
-2
3,1
7,5E•10
-1
FE
mg P eq
5,4
1,5•10
71,9
0
6,1
-1966
-1883
ME
mg N eq
143
4,6
58,8
0
5297
-1104
4399
HT
g 1,4-DB eq
-1
7,7
2,3•10
-3
-1
53,5
3,4•10
-2
-4
16,2
-1427
-2
-1349
-1
TET
g 1,4-DB eq
9,6•10
2,0
3,2•10
8,7•10
2,1•10
-6,5•10
1,5
FET
g 1,4-DB eq
1,4•10-1
3,6•10-1
1,7
2,5•10-4
1,7•10-1
-28,9
-26,6
MET
g 1,4-DB eq
-1
1,6•10
-2
5,9•10
1,4
-4
4,2•10
-1
3,7•10
-29,1
-27,1
FD
g petróleo eq
29,3
4,0
366
0
61,2
-1305
-844
100
80
Contribución (%)
60
40
Subsistema S6
20
Subsistema S5
0
Subsistema S4
-20
Subsistema S3
-40
Subsistema S2
Subsistema S1
-60
-80
-100
CC
OD
POF
TA
FE
ME
HT
TET
FET
MET
FD
Categoría de impacto
Figura 5.1. Contribución relativa por subsistema, escenario STEAMBIO
77
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
De acuerdo con los resultados obtenidos, se tiene que para casi todas las categorías
de impacto, el balance total es negativo, siendo el subsistema S6 es el que resta al
perfil ambiental, con un 43% para CC, 74% para OD, 95% para FE y HT, 93% para
FET y MET y 74% para FD. Esto se debe a que dentro de los límites del sistema se ha
considerado la producción evitada de electricidad. En la categoría de CC, además del
subsistema S6, el subsistema S1 resta en un 18% el impacto ambiental, debido al
secuestro de CO2 que se produce durante el crecimiento de la biomasa.
Sin embargo, en las categorías restantes, el balance total es positivo. En este sentido,
en la categoría TET, el subsistema S2 contribuye en un 74% al impacto final. En
cuanto a la categoría POF, las mayores contribuciones las tienen los subsistemas S2 y
S4, con un 15% y un 36%, respectivamente. En las categorías de TA y ME, el
subsistema S5 es el que tiene la mayor contribución, con un 76% y un 80%,
respectivamente.
5.2.1.1 Subsistema S1
En la Tabla 5.2 se muestra la contribución de cada proceso involucrado este
subsistema, para cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en
relación a su unidad de referencia.
Tabla 5.2. Resultados ACV subsistema S1, escenario STEAMBIO (por kg de
bioetanol)
Categoría de
Unidad
impacto
Secuestro
carbono
Producción
agroquímicos
Emisiones
agrícolas
Emisiones de
combustión
Total
CC
g CO2 eq
-2029
76,1
29,3
7,1
-1917
OD
mg CFC-11 eq 0
2,2•10-2
1,7•10-5
5,6•10-3
2,7•10-2
-1
-1
-2
POF
g NMVOC
0
1,5•10
4,3•10
4,9•10
6,3•10-1
TA
g SO2 eq
0
3,1•10-1
2,7
4,3•10-2
3,0
-1
-2
FE
mg P eq
0
4,8
4,3•10
4,5•10
5,3
ME
mg N eq
0
27,8
112,7
1,2
142
-1
-1
HT
g 1,4-DB eq
0
6,5
4,8•10
5,8•10
7,6
TET
g 1,4-DB eq
0
5,9•10-3
2,9•10-3
6,4•10-4
9,5•10-3
FET
g 1,4-DB eq
0
1,2•10-1
3,2•10-3
2,3•10-2
1,4•10-1
-1
-3
-2
MET
g 1,4-DB eq
0
1,4•10
7,3•10
1,8•10
1,6•10-1
FD
g petróleo eq
0
17,0
3,4•10-2
11,9
29,0
78
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
De acuerdo con la
2014
los resultados obtenidos, se tiene que la producción de
agroquímicos utilizados durante las etapas de preparación del campo y crecimiento de
la biomasa (fertilizantes y herbicidas), tiene una gran contribución en la mayoría de las
categorías. En el caso OD con un 80%, FE con un 91%, y FD con un 59%, debido a
las emisiones de combustión (NOx, CO, SOx) y de COV’s, y a que este proceso es
energéticamente intensivo. En cuanto a las categorías de toxicidad, el impacto se debe
principalmente a la emisión de metales pesados al aire y al agua.
Las actividades agrícolas, contribuyen especialmente a las categorías de POF con un
77%, TA con un 90%, y ME con un 80%. Esto se debe a las emisiones de combustión
derivadas del uso de la maquinaria agrícola y a las emisiones derivadas de la
aplicación de los fertilizantes nitrogenados en las tierras de cultivo. La categoría de CC
resta al perfil ambiental en un 95%, debido al secuestro de CO2 que se produce
durante el crecimiento de la biomasa.
5.2.1.2 Subsistema S2
En la Tabla 5.3, se muestra la contribución de cada proceso involucrado en este
subsistema, para cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en
relación a su unidad de referencia.
Tabla 5.3. Resultados ACV subsistema S2, escenario STEAMBIO (por kg de
bioetanol)
Categoría de
impacto
Unidad
Pretratamiento
Transporte
biomasa
Total
CC
g CO2 eq
0
12,4
12,4
OD
mg CFC-11 eq
0
1,9•10-3
POF
g NMVOC
6,2
1,9•10-3
-1
6,3
-2
1,3•10
TA
g SO2 eq
0
7,5•10
7,5•10-2
FE
mg P eq
0
1,5•10-1
1,5•10-1
ME
mg N eq
0
4,6
4,6
HT
TET
FET
g 1,4-DB eq
g 1,4-DB eq
g 1,4-DB eq
0
-1
2,3•10-1
-3
2,0
-3
3,6•10-1
-2
2,3•10
2,0
1,4•10
-1
3,6•10
-2
8,5•10
MET
g 1,4-DB eq
4,6•10
1,3•10
5,9•10-2
FD
g petróleo eq
0
4,0
4,0
79
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
De acuerdo con la los resultados obtenidos, el transporte de la biomasa contribuye en
un 100% a las categorías de CC, OD, TA, FE, ME, HT, FD. Esto se debe
principalmente a las emisiones de combustión (NOx, CO, SOx) generadas en el
transporte. La etapa de pretratamiento es la que tiene la mayor contribución en las
categorías de POF y FET con un 98%, TET con un 100%, y MET con un 78%. Esto se
debe a la emisión de ácidos orgánicos (ácido acético), producidos durante el
pretratamiento.
5.2.1.3 Subsistema S3
En la Tabla 5.4, se muestra la contribución de cada proceso involucrado en este
subsistema, para cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en
relación a su unidad de referencia.
Tabla 5.4. Resultados ACV subsistema S3, escenario STEAMBIO (por kg de
bioetanol)
Categoría de
Unidad
impacto
SSF
Producción
enzima
Producción
químicos
Transporte
químicos
Total
CC
1200
436
213
g CO2 eq
6,1•10-1
1849
-2
OD
mg CFC-11 eq 0
2,5•10
1,7•10
9,2•10-5
4,3•10-2
POF
g NMVOC
1,0
6,6•10-1
6,3•10-3
1,6
1,0
-1
3,7•10-3
1,6
TA
g SO2 eq
0
0
-2
6,5•10
-3
FE
mg P eq
0
41,3
30,6
7,5•10
71,9
ME
mg N eq
0
34,3
24,2
2,3•10-1
58,8
-2
HT
g 1,4-DB eq
0
31,1
22,5
1,1•10
53,5
TET
g 1,4-DB eq
0
1,9•10-2
1,3•10-2
6,9•10-5
3,2•10-2
FET
g 1,4-DB eq
0
1,0
7,0•10-1
4,2•10-4
1,7
-1
6,5•10-4
1,4
MET
FD
g 1,4-DB eq
g petróleo eq
0
0
-2
8,1•10
218
5,9•10
148
-1
2,0•10
366
De acuerdo con los resultados obtenidos, la producción de los químicos y nutrientes
utilizados en las etapas de producción de enzima y cultivo de la levadura (SO2, NH3,
glucosa, urea, fosfato dipotásico y sulfato amonio), contribuye el 100% en todas las
categorías, excepto CC. En el caso de las categorías OD, POF, TA, FE, ME y FD, esto
se debe principalmente a las emisiones de combustión (NOx, CO, SOx), de COV’s, y
emisiones difusas de NH3, y a que estos procesos son energéticamente intensivos. En
80
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
cuanto a las categorías de toxicidad, el impacto se debe principalmente a la emisión
de metales pesados al aire y al agua.
La etapa de sacarificación y fermentación simultáneas (SSF) es la mayor responsable
del impacto en la categoría de CC, con un 65%. Esto se debe a la emisión de CO2 y
NO2 generados durante el proceso de conversión de los azúcares en etanol. El
transporte de químicos y nutrientes tiene apenas contribución en el perfil ambiental.
5.2.1.4 Subsistema S4
En la Tabla 5.1, se muestra la contribución del este subsistema al perfil ambiental,
para cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en relación a su
unidad de referencia. De acuerdo a los resultados obtenidos, la mayor contribución de
este subsistema en el perfil ambiental es en la categoría POF, con un 36%. Esto se
debe a las emisiones difusas de etanol, generadas durante los procesos de destilación
y deshidratación del bioetanol.
5.2.1.5 Subsistema S5
En la Tabla 5.5, se muestra la contribución de cada proceso involucrado en este
subsistema, para cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en
relación a su unidad de referencia.
Tabla 5.5. Resultados ACV subsistema S5, escenario STEAMBIO (por kg de
bioetanol)
Categoría de
impacto
Unidad
Actividades
auxiliares
Producción
químicos
Transporte
químicos
Total
CC
g CO2 eq
2179
141
OD
mg CFC-11 eq
0
3,7•10-1
2321
-2
5,6•10-5
2,3•10-2
-1
-3
2,3•10
POF
g NMVOC
0
2,3•10
3,8•10
2,3•10-1
TA
g SO2 eq
141
3,7•10-1
2,3•10-3
141
-3
FE
mg P eq
0
6,1
4,6•10
6,1
ME
mg N eq
5283
14
1,4•10-1
5297
-3
HT
g 1,4-DB eq
0
16,2
6,8•10
16,2
TET
g 1,4-DB eq
0
2,1•10-2
4,2•10-5
2,1•10-2
FET
g 1,4-DB eq
0
1,7•10-1
2,5•10-4
1,7•10-1
-1
-4
MET
g 1,4-DB eq
0
3,7•10
4,0•10
3,7•10-1
FD
g petróleo eq
0
61,1
1,2•10-1
61,2
81
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
De acuerdo a los resultados obtenidos, la producción de los químicos utilizados en el
tratamiento de las aguas residuales (NH3), es el proceso que más contribuye al perfil
ambiental, con un 100% en las categorías de OD, POF, FE y FD, debido a las
emisiones de combustión (NOx, CO, SOx), de COV’s y emisiones difusas de NH3, y a
que este proceso es energéticamente intensivo. En cuanto a las categorías de
toxicidad esto se debe principalmente a la emisión de metales pesados al aire y al
agua.
Las actividades auxiliares (producción de energía y depuradora), tienen la mayor
contribución en las categorías de CC con el 94%, y TA y ME con el 100%. En el caso
de CC y TA, esto se debe a la emisión de CO2 y SO2 generadas durante la etapa de
producción de energía, ya que en el proceso de combustión, el azufre contenido en la
paja de trigo se convierte en SO2, además de emisiones difusas del NH3 utilizado para
el tratamiento de las aguas residuales. Mientras que, en el caso de ME, esto se debe
al uso de nutrientes ricos en nitrógeno durante los procesos de producción de enzima
y cultivo de la levadura, que contaminan las aguas residuales a ser tratadas en la
depuradora.
Es importante mencionar que toda la energía que se consume en la biorefinería, se
genera en este subsistema (autoconsumo), y que para el análisis ambiental se han
considerado en este subsistema las cargas ambientales debidas a esta etapa.
5.2.1.6 Subsistema S6
En la Tabla 5.1, se muestra la contribución de este subsistema al perfil ambiental, para
cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en relación a su unidad
de referencia. De acuerdo a los resultados obtenidos, el subsistema S6 es el mayor
responsable del balance negativo en todas las categorías de impacto, lo cual implica
un mejoramiento notable del perfil ambiental. Esto se debe a que dentro de los límites
del sistema se ha considerado la producción evitada de electricidad.
82
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
5.2.2 Evaluación ambiental escenario BIOBIO
En la Tabla 5.6, se muestra el perfil ambiental del escenario BIOBIO, además del perfil
ambiental de cada uno de los subsistemas definidos para este escenario. Cada una de
las categorías de impacto han sido cuantificadas en relación a su unidad de referencia.
Además, en la Figura 5.2, se muestra la contribución relativa de cada subsistema, en
donde el 100% representa el impacto total.
Tabla 5.6. Resultados ACV, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol)
Categoría
Unidad
de
impacto
CC
g CO2 eq
Subsistema Subsistema Subsistema Subsistema Subsistema Subsistema
Total
S1
S2
S3
S4
S5
S6
-2719
1552
-5
OD
2151
-2
mg CFC-11 eq 3,9•10
2,4•10
-1
0
-2
6,2•10
1580
0
-10612
-8049
-3
-6,3•10
-5,4•10-1
-2
2,4•10
-1
POF
g NMVOC
8,9•10
1,6
2,4
16,7
2,4•10
-42,9
-21,3
TA
g SO2 eq
3,5
4,0
2,3
0
11,0
-89,0
-72,0
FE
mg P eq
7,5•10-3
294
105
0
6,4•10-1
-4475
-4076
mg N eq
-1
125
85,7
0
399
-2514
-1903
ME
2,0•10
-1
HT
g 1,4-DB eq
10,8
280
78,1
3,6•10
1,7
-3248
-2877
TET
g 1,4-DB eq
1,3•10-2
1,6•10-1
4,7•10-2
9,2•10-4
2,2•10-3
-1,5
-1,3
FET
g 1,4-DB eq
-1
2,0•10
4,6
2,4
-4
2,6•10
-2
1,8•10
-65,9
-58,6
MET
g 1,4-DB eq
2,3•10-1
4,6
2,0
4,4•10-4
3,9•10-2
-66,2
-59,3
FD
g petróleo eq
41,1
100
535
0
6,4
-2969
-2287
100
80
60
Contribución (%)
40
Subsistema S6
20
Subsistema S5
0
Subsistema S4
-20
Subsistema S3
-40
Subsistema S2
Subsistema S1
-60
-80
-100
CC
OD
POF
TA
FE
ME
HT
TET
FET
MET
FD
Categoría de impacto
Figura 5.2. Contribución relativa por subsistema, escenario BIOBIO
83
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
De acuerdo con la los resultados obtenidos, se tiene que para todas las categorías de
impacto, el balance total es negativo, siendo el subsistema S6 es el que resta al perfil
ambiental, con un 57% para CC, 88% para OD y TET, 67% para POF, 81% para TA y
ME, 92% para FE, FET y MET, 90% para HT y 81% para FD. Esto se debe a que
dentro de los límites del sistema se ha considerado la producción evitada de
electricidad. En la categoría de CC, además del subsistema S6, el subsistema S1
también resta al perfil ambiental en un 15%, debido al secuestro de CO2 que se
produce durante el crecimiento de la biomasa.
El subsistema S3 aporta en la mayoría de las categorías, especialmente CC con un
12%, OD con un 9%, y FD con un 15%. Así mismo, el subsistema S2 aporta en la
mayoría de las categorías, especialmente en FE, FET y MET con un 6%, HT con un
8%, y TET con un 10%. El subsistema S4 tiene una gran contribución en la categoría
POF, con un 26%, mientras que el subsistema S5, contribuye especialmente en las
categorías de TA con un 10% y ME con un 13%.
5.2.2.1 Subsistema S1
En la Tabla 5.7 se muestra la contribución de cada proceso involucrado en este
subsistema, para cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en
relación a su unidad de referencia. Ya que este subsistema es común para los dos
escenarios, el análisis será el mismo que el del escenario STEAMBIO.
84
2014
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
Tabla 5.7. Resultados ACV subsistema S1, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol)
Categoría de
Unidad
impacto
Secuestro
carbono
Producción
agroquímicos
Emisiones
agrícolas
Emisiones de
combustión
Total
CC
-2891
108
41,7
10,1
-2731
OD
g CO2 eq
-2
mg CFC-11 eq 0
-5
3,1•10
2,4•10
-1
-3
3,9•10-2
-2
7,9•10
-1
POF
g NMVOC
0
2,1•10
6,2•10
7,0•10
9,0•10-1
TA
g SO2 eq
0
4,4•10-1
3,8
6,1•10-2
4,3
-2
FE
mg P eq
0
6,9
6,1•10
6,4•10-1
7,6
ME
mg N eq
0
39,6
161
1,7
202
HT
g 1,4-DB eq
0
9,3
6,9•10-1
8,3•10-1
-3
-4
-3
10,8
TET
g 1,4-DB eq
0
8,4•10
4,2•10
9,1•10
1,4•10-2
FET
g 1,4-DB eq
0
1,7•10-1
4,6•10-3
3,2•10-2
2,0•10-1
-1
-3
-2
MET
g 1,4-DB eq
0
1,9•10
1,0•10
2,5•10
2,3•10-1
FD
g petróleo eq
0
24,3
4,8•10-2
17,0
41,3
5.2.2.2 Subsistema S2
En la Tabla 5.8, se muestra la contribución de cada proceso involucrado este
subsistema, para cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en
relación a su unidad de referencia.
Tabla 5.8. Resultados ACV subsistema S2, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol)
Categoría de
impacto
Unidad
Pretratamiento
Producción
químicos
CC
g CO2 eq
1200
332
Transporte
biomasa y
químicos
20,1
OD
mg CFC-11 eq
0
2,1•10-2
3,0•10-3
2,4•10-2
POF
g NMVOC
3,6•10-1
1,0
2,1•10-1
1,6
TA
g SO2 eq
0
3,8
1,2•10-1
4,0
-1
Total
1552
FE
mg P eq
0
294
2,5•10
294
ME
mg N eq
0
118
7,4
125
-1
HT
g 1,4-DB eq
0
280
3,6•10
280
TET
g 1,4-DB eq
1,2•10-1
4,1•10-2
2,3•10-3
1,6•10-1
FET
g 1,4-DB eq
2,1•10-2
4,6
1,4•10-2
4,6
MET
g 1,4-DB eq
-3
2,7•10
4,5
2,1•10-2
4,6
FD
g petróleo eq
0
93,7
6,5
100
De acuerdo con los resultados obtenidos, la producción de químicos utilizados en la
etapa de baño alcalino (NaOH y H2SO4) es la principal responsable del impacto en las
categorías de OD con un 88%, TA con un 96%, ME y FD con un 94%, y FE, HT, FET y
MET con un 100%, debido a las emisiones de combustión (NOx, CO, SOx), de COV’s y
85
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
de metales pesados al aire y al agua. La producción de H2SO4 implica menor consumo
energético y menos emisiones de combustión que el NaOH, sin embargo la producción
de H2SO4 implica la emisión de SO2. Ya que la cantidad de nutrientes requeridos para
el cultivo del micelio fúngico (sulfato de hierro, sulfato de amonio, glucosa, urea y
fosfato dipotásico) es baja, así mismo, su producción contribuye poco al perfil
ambiental.
En cuanto al proceso de pretratamiento, este tiene una gran contribución en las
categorías de CC con un 77% y TET con un 73%. En el caso de CC, esto se debe a la
emisión de CO2 debido al metabolismo el hongo, mientras que en el caso de TET se
debe a la emisión de ácidos orgánicos (acético y láctico), producidos durante el
pretratamiento y el cultivo del micelio fúngico. Finalmente, en cuanto al el transporte de
la biomasa y de los químicos y nutrientes, este contribuye a las categorías de OD y
POF, en un 13% respectivamente. Esto se debe a las emisiones de combustión (NOx,
CO, SOx) generadas durante el transporte.
5.2.2.3 Subsistema S3
En la Tabla 5.9, se muestra la contribución de cada proceso involucrado en este
subsistema, para cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en
relación a su unidad de referencia.
Tabla 5.9. Resultados ACV subsistema S3, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol)
Categoría de
Unidad
impacto
SSF
Producción
enzima
Producción
químicos
Transporte
químicos
Total
CC
1200
648
302
g CO2 eq
8,7•10-1
2151
-2
OD
mg CFC-11 eq 0
3,8•10
2,5•10
1,3•10-4
6,2•10-2
POF
g NMVOC
1,4
9,3•10-1
8,9•10-3
2,4
1,4
-1
5,2•10-3
2,3
TA
g SO2 eq
0
0
-2
9,2•10
-2
FE
mg P eq
0
61,4
43,4
1,1•10
105
ME
mg N eq
0
51,0
34,4
3,2•10-1
85,7
-2
HT
g 1,4-DB eq
0
46,2
31,9
1,6•10
78,1
TET
g 1,4-DB eq
0
2,9•10-2
1,8•10-2
9,8•10-5
4,7•10-2
FET
g 1,4-DB eq
0
1,4
1,0
5,9•10-4
2,4
9,2•10-4
2,0
MET
FD
g 1,4-DB eq
g petróleo eq
0
0
-1
1,2
8,4•10
324
211
86
-1
2,8•10
535
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
De acuerdo con los resultados obtenidos, la producción de los químicos y nutrientes
utilizados en las etapas de producción de enzima y cultivo de la levadura (SO2, NH3,
glucosa, urea, fosfato dipotásico y sulfato amonio), contribuye el 100% en todas las
categorías, excepto CC. En el caso de las categorías OD, POF, TA, FE, ME y FD, esto
se debe principalmente a las emisiones de combustión (NOx, CO, SOx), de COV’s, y
emisiones difusas de NH3, y a que estos procesos son energéticamente intensivos. En
cuanto a las categorías de toxicidad, el impacto se debe principalmente a la emisión
de metales pesados al aire y al agua.
La etapa de sacarificación y fermentación simultáneas (SSF) es la mayor responsable
del impacto en la categoría de CC, con un 65%. Esto se debe a la emisión de CO2 y
NO2 generados durante el proceso de conversión de los azúcares en etanol. El
transporte de químicos y nutrientes tiene apenas contribución en el perfil ambiental.
5.2.2.4 Subsistema S4
En la Tabla 5.6, se muestra la contribución de este subsistema al perfil ambiental para
cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en relación a su unidad
de referencia. De acuerdo a los resultados obtenidos, la mayor contribución de este
subsistema en el perfil ambiental es en la categoría POF, con un 36%. Esto se debe a
las emisiones difusas de etanol, generadas durante los procesos de destilación y
deshidratación del bioetanol.
5.2.2.5 Subsistema S5
En la Tabla 5.10, se muestra la contribución de cada proceso involucrado en este
subsistema, para cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en
relación a su unidad de referencia.
87
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 5.10. Resultados ACV subsistema S5, escenario BIOBIO (por kg de bioetanol)
Categoría de
impacto
Unidad
Actividades
auxiliares
Producción
químicos
Transporte
químicos
Total
CC
g CO2 eq
1565
15
3,9•10-2
1580
OD
mg CFC-11 eq
-3
0
2,4•10
-2
-6
2,4•10-3
-4
5,9•10
POF
g NMVOC
0
2,4•10
4,0•10
2,4•10-2
TA
g SO2 eq
10,6
3,8•10-2
2,3•10-4
10,6
-1
FE
mg P eq
0
6,4•10
4,8•10-4
6,4•10-1
ME
mg N eq
398
1,5
1,4•10-2
399
HT
g 1,4-DB eq
0
1,7
7,0•10-4
1,7
-3
-6
TET
g 1,4-DB eq
0
2,2•10
4,4•10
2,2•10-3
FET
g 1,4-DB eq
0
1,8•10-2
2,7•10-5
1,8•10-2
-2
-5
MET
g 1,4-DB eq
0
3,9•10
4,1•10
3,9•10-2
FD
g petróleo eq
0
6,4
1,2•10-2
6,4
De acuerdo a los resultados obtenidos, la producción de los químicos utilizados en el
tratamiento de las aguas residuales (NH3), es el proceso que más contribuye al perfil
ambiental, con un 100% en las categorías de OD, POF, FE y FD, debido a las
emisiones de combustión (NOx, CO, SOx), de COV’s y emisiones difusas de NH3, y a
que este proceso es energéticamente intensivo. En cuanto a las categorías de
toxicidad esto se debe principalmente a la emisión de metales pesados al aire y al
agua.
Las actividades auxiliares (producción de energía y depuradora), tienen la mayor
contribución en las categorías de CC con el 94%, y TA y ME con el 100%. En el caso
de CC y TA, esto se debe a la emisión de CO2 y SO2 generadas durante la etapa de
producción de energía, ya que en el proceso de combustión, el azufre contenido en la
paja de trigo se convierte en SO2, además de emisiones difusas del NH3 utilizado para
el tratamiento de las aguas residuales. Mientras que, en el caso de ME, esto se debe
al uso de nutrientes ricos en nitrógeno durante los procesos de producción de enzima,
cultivo de la levadura y cultivo del micelio fúngico, que contaminan las aguas
residuales a ser tratadas en la depuradora.
88
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Igual que en el escenario STEAMBIO, toda la energía que se consume en la
biorefinería se genera en este subsistema (autoconsumo), y para el análisis ambiental,
se han considerado en este subsistema las cargas ambientales debidas a esta etapa.
5.2.2.6 Subsistema S6
En la Tabla 5.6, se muestra la contribución de este subsistema al perfil ambiental para
cada categoría de impacto, las cuales han sido cuantificadas en relación a su unidad
de referencia. De acuerdo a los resultados obtenidos, el subsistema S6 es el mayor
responsable del balance negativo en todas las categorías de impacto, lo cual implica
un mejoramiento notable del perfil ambiental. Esto se debe a que dentro de los límites
del sistema se ha considerado la producción evitada de electricidad.
5.2.3 Comparación entre ambos escenarios
Para la comparación ambiental entre los dos escenarios planteados STEAMBIO y
BIOBIO, se ha llevado a cabo la normalización de los datos obtenidos en el ACV (ver
Tabla 5.11). De esta manera será posible identificar cual de los dos escenarios tiene
un mayor impacto ambiental global y que categorías son las que más contribuyen a
este impacto.
Es importante mencionar que para la comparación, no se ha tomado en cuenta al
subsistema S6, debido a que este “mejora” visiblemente el perfil ambiental, y por lo
tanto desvirtúa los resultados finales. Por lo tanto, la comparación se hará únicamente
de los subsistemas S1, S2, S3, S4 y S5.
89
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 5.11. Resultados ACV, normalización
Categoría de
impacto
Escenario
STEAMBIO
Escenario
BIOBIO
CC
2,0•10-4
2,4•10-4
OD
4,5•10-6
6,2•10-6
POF
-4
4,7•10
4,1•10-4
TA
4,2•10-3
6,3•10-4
FE
-4
3,1•10
1,2•10-3
ME
5,5•10-4
8,3•10-5
HT
-4
2,5•10
9,0•10-4
TET
2,6•10-4
3,2•10-5
FET
3,6•10-4
1,0•10-3
MET
-4
4,4•10
1,3•10-3
FD
3,1•10-4
4,6•10-4
-3
6,3•10-3
TOTAL
7,4•10
De acuerdo a los resultados obtenidos se tiene que el impacto ambiental global del
escenario STEAMBIO es un 18% mayor que el del escenario BIOBIO. Esto se debe a
la gran contribución del subsistema S5 con un 69%, siendo a su vez la categoría TA la
que más aporta a este subsistema, con un 81%, por la emisión de SO2 generado
durante la etapa de producción de energía, y a emisiones difusas de NH3, que se
utiliza en el tratamiento de las aguas residuales llevado a cabo en la depuradora.
Además es importante mencionar que el factor de normalización de TA es
relativamente alto (34 kg SO2 eq-1), respecto a otras categorías (38).
En ambos escenarios, el subsistema S1 contribuye en un 5% al impacto ambiental
global, siendo las categorías TA y MET las que más aportan a este subsistema con un
16%. Esto se debe a las emisiones de combustión derivadas del uso de la maquinaria
agrícola y a las emisiones derivadas de la aplicación de los fertilizantes nitrogenados
en las tierras de cultivo. La categoría CC contribuye a disminuir el impacto de este
subsistema en un 30%, debido a la fijación de CO2 durante el crecimiento de la
biomasa.
En cuanto al subsistema S2, este tiene una gran contribución al impacto ambiental
global del escenario BIOBIO con un 51%, siendo las categorías que más aportan a
90
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
este subsistema CC con un 5%, FE con un 26%, HT y FET con un 19%, y MET con un
24%. Esto se debe fundamentalmente a la emisión de CO2, generado durante el
metabolismo del hongo y al requerimiento de grandes cantidades de químicos y
nutrientes, cuya producción
genera emisiones de combustión, además de ser
energéticamente intensiva. En el escenario STEAMBIO la contribución de este
subsistema al impacto ambiental global es apenas del 6%.
En ambos escenarios, el subsistema S3 tiene una gran contribución al impacto
ambiental global, con un 20% en el escenario STEAMBIO, y un 31% en el escenario
BIOBIO, siendo las categorías que más aportan a este subsistema CC con un 11%,
FE y FET con un 17%, HT con un 11% y MET con un 20%. Esto se debe
principalmente a la emisión de CO2 generado durante el proceso de sacarificación y
fermentación, así como también a las emisiones de combustión generadas durante la
producción de químicos utilizados en las etapas de producción de enzima y cultivo de
levadura.
El subsistema S4 tiene una contribución de apenas el 5% al impacto ambiental global
en ambos escenarios, siendo la categoría POF la que más aporta a este subsistema
con un 99%. Esto se debe fundamentalmente a las emisiones difusas de etanol
durante los procesos de destilación y deshidratación del bioetanol.
Para la comparación del rendimiento de cada escenario, se han considerado los
principales flujos de entrada y salida del sistema, necesarios para la producción de 1kg
de bioetanol (ver Tabla 5.12).
91
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 5.12. Principales flujos de entrada y salida, escenarios STEAMBIO y BIOBIO
(por kg de bioetanol)
Escenario
STEAMBIO
Escenario
BIOBIO
Unidad
4,7
6,6
kg
Entrada - Agua
117
244
L
Entrada - Enzima
0,74
1,1
kg
Flujo
Entrada - Paja de trigo
Entrada - Energía
265
532
MJ
Salida - Electricidad Excedente
33,6
76,5
MJ
De acuerdo a los datos obtenidos, se tiene que los flujos de entrada para la producción
de 1kg de bioetanol son mayores en el escenario BIOBIO que en el STEAMBIO, en un
42% para la paja de trigo y la enzima, 109% para el agua, y 101% para el consumo de
energía, produciéndose además 2.3 veces más de energía. Como se ha mencionado
en apartados anteriores, la paja de trigo es un residuo agrícola abundante, cuyo precio
varía entre los 24 y 60 euros por tonelada (30). Sin embargo, la enzima es un
consumible costoso, con precios que varían entre los 0.25 y 0.07 euros por litro de
bioetanol, siendo además uno de los procesos más intensivos energéticamente (30).
La energía necesaria para cubrir los requerimientos energéticos en la biorefinería se
produce en el subsistema S5, siento el escenario BIOBIO el que necesita una mayor
cantidad de energía (calor), debido a los procesos de acondicionamiento en el
subsistema de pretratamiento (tratamiento térmico y reducción del tamaño de
partícula), y a los procesos de destilación y deshidratación del bioetanol, y por tanto
una mayor cantidad de agua para producirla.
5.2.4 Comparación con otros estudios de ACV
En este apartado se realiza una comparación entre los resultados obtenidos en este
trabajo y los resultados obtenidos en el estudio de Wang et. al, que tiene como
objetivos: i) evaluar ambientalmente la producción de bioetanol a partir de la paja de
trigo, utilizando cinco tipos de pretratamiento (hidrólisis con ácido diluido - DA,
explosión por vapor con catalizador ácido - SEAC, explosión por vapor - SE,
92
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
tratamiento con agua caliente líquida -
2014
LHW, y oxidación húmeda - WO), y ii)
comparar los resultados obtenidos con la gasolina convencional.
Existen varias diferencias entre los escenarios estudiados por Wang et. al y los
considerados en este trabajo (STEAMBIO y BIOBIO):
1. La unidad funcional planteada es “1km recorrido por un FFV”, y el alcance del
estudio es “cuna-tumba”, mientras que en este trabajo se plantea como unidad
funcional “1kg de bioetanol producido” y el alcance “cuna-puerta”.
2. Para la EICV considera el método CML2001, mientras que en este trabajo se
considera el método ReCiPe.
3. No considera ningún tipo de pretratamiento biológico, sino que evalúa
ambientalmente y se compara pretratamientos físico – químicos y químicos.
4. El proceso de sacarificación y fermentación está configurado como una
sacarificación y co-fermentación, de acuerdo al reporte NREL 2011 (34),
mientras que en este trabajo se ha considerado una configuración de
sacarificación y fermentación simultáneas, la cual alcanza un rendimiento de
conversión muy alto (57% del valor máximo teórico calculado a partir de los
azúcares totales disponibles en la paja de trigo) (30).
La Tabla 5.13 muestra un resumen comparativo de los resultados obtenidos en este
trabajo y de los resultados obtenidos el estudio mencionado. Se ha transformado la
unidad funcional a “1kg de bioetanol”, considerando que se necesitan 0.99kg de E100
para recorrer 1km de distancia con un FFV, además se ha omito el subsistema de
agricultura y de uso final, así como también la producción de energía excedente, para
comparar únicamente las cargas ambientales debidas a la conversión del bioetanol.
93
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
Tabla 5.13. Resumen comparativo de los estudios analizados (por kg de bioetanol)
Categoría
de
impacto
CC
Unidad
g CO2 eq
Wang et. al (19)
Este trabajo
DA
SEAC
SE
LHW
WO
STEAMBIO
BIOBIO
6579
5117
5848
5848
5848
4182
5282
-1
-1
-2
-2
-2
-2
OD
mg CFC-11 eq
1.7•10
1.1•10
7.8•10
8.3•10
8.3•10
6.8•10
8.9•10-2
POF
g NMVOC
-
-
-
-
-
23.9
20.7
TA
g SO2 eq
18.5
13.2
9.3
9.7
9.3
142.7
16.9
FE
mg P eq
822
536
393
358
358
78
399
ME
mg N eq
-
-
-
-
-
5361
610
HT
g 1,4-DB eq
965
614
380
409
439
70
360
TET
g 1,4-DB eq
12.4
6.9
1.1
1.5
1.1
2.1
2.1•10-1
FET
g 1,4-DB eq
414
263
138
138
163
2.2
7.1
MET
g 1,4-DB eq
-
-
-
-
-
1.8
6.7
FD
g petróleo eq
-
-
-
-
-
432
641
“-“ significa dato no disponible
Según los resultados obtenidos, se tiene que los dos escenarios analizados en este
trabajo, STEAMBIO y BIOBIO, tienen un mejor perfil ambiental que los cinco
escenarios estudiados por Wang et. al, alcanzando reducciones entre el 5 y el 99%, en
las categorías de toxicidad, y entre el 10 y el 59% en las categorías de CC, OD y FE.
Sin embargo, sigue siendo la categoría TA la más problemática en ambos escenarios,
alcanzado incrementos entre el 29 y 1440%, sobre los resultados obtenidos por Wang
et. al. Como se ha mencionado anteriormente, esto se debe principalmente a la
emisión de SO2 y NH3 durante las etapas de producción de energía y tratamiento de
las aguas residuales en la depuradora.
94
CAPÍTULO 6
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
6. CONCLUSIONES, LIMITACIONES Y RECOMENDACIONES
El uso intensivo de combustibles fósiles ha incrementado notablemente la emisión de
GEI a la atmósfera, causando un cambio climático mundial. En este contexto, los
biocombustibles, como el bioetanol, producidos a partir de biomasa lignocelulósica
tienen un gran potencial, ya que pueden proporcionar energía limpia, segura y con
bajas emisiones de CO2. Sin embargo es importante identificar todos los impactos que
la producción de este tipo de combustible puede producir sobre el medio ambiente.
Para este propósito, se ha escogido al ACV como herramienta para la evaluación
ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo, considerando dos
tipos de pretratamiento de la biomasa lignocelulósica: i) explosión por vapor (escenario
STEAMBIO), y ii) biológico, utilizando hongos de la podredumbre blanca (escenario
BIOBIO). Esto debido a que mediante el uso de esta herramienta es posible comparar
y analizar complejos productos, descomponiéndolos en todos sus materiales y
procesos de una forma sencilla de manejar y comprender.
De acuerdo a los resultados obtenidos, se puede concluir que el escenario STEAMBIO
tiene un mayor impacto ambiental global que el escenario BIOBIO, causado
fundamentalmente por la emisión de SO2 y NH3 en el subsistema de actividades
auxiliares (producción de energía y depuradora). En este subsistema, se han
considerado las cargas ambientales debidas a la producción de la energía requerida
en todo el proceso de conversión del bioetanol, es decir que estas no se han repartido
en cada subsistema de acuerdo a sus requerimientos energéticos.
El subsistema S1 tiene una contribución más bien baja al impacto ambiental global en
ambos escenarios, mientras que el subsistema S2, tiene una gran contribución en el
escenario BIOBIO, debido fundamentalmente a la emisión de CO2, generado durante
el metabolismo del hongo y al requerimiento de grandes cantidades de químicos y
nutrientes, cuya producción genera emisiones de combustión, además de ser
97
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
energéticamente intensiva. Sin embargo, en ambos escenarios, este subsistema resta
cargas ambientales al impacto global, debido al secuestro de CO2 durante el
crecimiento de la paja de trigo.
El subsistema S3 tiene una contribución relativamente alta al impacto ambiental global
en ambos escenarios, debido principalmente a la emisión de CO2 generado durante el
proceso de sacarificación y fermentación, así como también a las emisiones de
combustión generadas durante la producción de enzima y químicos. Sin embargo, el
subsistema S4 tiene una pequeña contribución al impacto ambiental global en ambos
escenarios, debido fundamentalmente a las emisiones difusas de etanol durante los
procesos de destilación y deshidratación del bioetanol.
El subsistema S6 mejora notablemente el impacto ambiental global en ambos
escenarios. Esto se debe a que en ambos escenarios se ha considerado dentro de los
límites del sistema la producción evitada de electricidad.
En definitiva la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo produce impactos
positivos y negativos al medio ambiente, que dependen en gran medida de las
condiciones específicas de cada sistema y escenario planteado. El perfil ambiental de
ambos escenarios, BIOBIO y STEAMBIO puede ser mejorado una vez localizados sus
“hot spots”, mediante la aplicación de opciones de mejora enfocadas a mitigar sus
impactos. De esta manera se conseguirá que ambos procesos sean más respetuosos
con el medio ambiente.
98
Evaluación ambiental de la producción de bioetanol a partir de la paja de trigo
2014
7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFCAS
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Santiago de Compostela : s.n., 2009. 978-84-613-4672-1.
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3. Grain and cellulosic ethanol: History, economics, and energy policy. Solomon, Barry,
Barnes, Justin R y Halvorsen, Kathleen E. 31, 2007, Biomass and Bioenergy, págs.
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4. Abril, Alejandro y Navarro, Enrique. Etanol a partir de biomasa lignocelulósica. Écija :
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5. Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks. Sánchez,
Óscar y Cardona, Carlos. 99, 2007, Bioresource Technology, págs. 5270-5295.
6. LCA of second generation bioethanol A review and some issues to be resolved for good
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