El sector agropecuario y su gestión integral en busca de su sustentabilidad Xavier Flotats Las percepciones ancestrales El quinto trabajo de Hércules: limpiar los establos del rey Augías Hércules cambiando los cursos de los ríos Alfeo y Peneo. Mosaico romano, III DC. La energía y el carbono, procesos y productos Slaughterhouse and meat processing Human consumption Animal (pig, cow, poultry, …) Animal by‐products (ABP) Manures Anaerobic digestion Transesterification ‐ biodiesel OF ‐ MSW Combustion NG grid injection Heat Electricity Transport Los conflictos Contaminación atmosférica: emisiones de CH4, N2O, NH3, COV,.. Contaminación de aguas: nitratos, fosfatos, materia orgánica, xenobióticos, ... Contaminación de suelos: xenobióticos, metales, reducción de O2, efectos de toxicidad a cultivos,... Consumos de energía Problemas organizativos Aspectos sanitarios Aspectos económicos, ...... Los nutrientes. El nitrógeno Fertilizantes nitrogenados. Producción mediante el proceso Haber-Bosch: N2 + H2 Æ 2NH3 40-45 MJ/kg NH3 Æ Lámpara de 60W @ 208 h Coste de los fertilizantes nitrogenados muy ligado al coste de la energía Los nutrientes. El fósforo Reservas mundiales limitadas, y muy localizadas (¿problema geo-estratégico en futuro cercano?) World phosphate rock reserves – 50,000 out of 65,000 million tonnes are in Morocco. Source: http://www.worldresourcesforum.org/. from http://ing.dk/artikel/89792-overset-fosformangel-truer-fremtidens-foedevareproduktion Evolución de precios de fosfato di-amónico Price of di-ammonium phosphate (DAP). Source: FMB weekly Phosphates Report. Updated 7 July 2011. DAP is a downstream fertiliser product manufactured from phosphate rock concentrate Consumo de N y P mineral en España Consumo de fertilizantes minerales en Cataluña Fuente: http://www.magrama.gob.es/es/estad istica/temas/default.aspx Consumo de fertilizantes minerales en España ¿Dónde tenemos N y P? En las deyecciones ganaderas Ejemplo: Composición de purines de cerdo • • • • • • • • • Variabilidad Mucha agua Poca materia orgánica Mat. org. particulada N, P y K elevado N en forma amoniacal Cu elevado Alcalinidad elevada Grado de envejecimiento Parámetro(símbolo) Unidades Rango Mínimo Máximo Sólidos totales (ST) g/kg 13,68 169,00 Sólidos volátiles (SV) g/kg 6,45 121,34 Porcentaje SV/ST % 46 76 Sólidos totales suspendidos (STS) g/kg 3,68 155,23 Sólidos volátiles suspendidos (SVS) g/kg 3,14 115,21 Porcentaje SVS/STS % 55 97 Sólidos totales solubles (STs) g/kg 0,79 3,28 Porcentaje STS/ST % 50 97 Demanda Química de Oxigeno (DQO) g/kg 8,15 191,23 Ácidos grasos volátiles (como Acético) g/kg 0,13 10,84 + Nitrógeno amoniacal (N-NH4 ) g/kg 1,65 7,99 Nitrógeno total Kjeldhal (NTK) g/kg 2,03 10,24 Nitrógeno orgánico (Norg) g/kg 0,40 3,67 + Porcentaje N-NH4 /NTK % 57 93 Fósforo (P) g/kg 0,09 6,57 Potasio (K) g/kg 1,61 7,82 Cobre (Cu) mg/kg 8,9 191,8 Zinc (Zn) mg/kg 7,1 130,8 pH 6,56 8,70 Alcalinidad total (como CaCO3) g/kg 5,08 59,25 Alcalinidad parcial (como CaCO3) g/kg 3,50 30,00 Relación de alcalinidad 0,17 0,70 Bonmatí [2001] Media 62,16 42,33 65 49,47 38,70 79 1,80 75 73,02 5,06 4,54 5,98 1,54 75 1,38 4,83 39,7 65,7 7,68 21,47 12,20 0,42 Balance de P en España (2009) Arable land and pastures surface (ha) SPAIN Catalonia Galicia Valencia Navarra Andalucía Extremadura 37,630,591 1,825,273 1,525,543 1,607,756 612,293 6,904,105 3,605,001 INPUTS Mineral fertilizers 152,569 9,508 11,621 19,440 4,696 27,244 7,013 (tonnes P2O5) Organic fertilizers (manure, compost,…) 405,072 60,448 38,205 24,337 9,646 45,322 37,532 9,824 529 116 74 294 1,286 532 567,465 70,485 49,943 43,851 14,636 73,852 45,077 15.1 38.6 32.7 27.3 23.9 10.7 12,5 683,735 41,043 28,588 36,043 17,92 191,768 46,896 18.2 22.5 18.7 22.4 29.3 27.8 13.0 -116,270 29,441 21,355 7,808 -3,283 -117,916 -1,819 -3.1 16.1 14.0 4.9 -5.4 -17.1 -0.5 Seeds Total inputs Average (kg P2O5/ha) OUTPUTS Extraction by crops and pastures (tonnes P2O5) Average (kg P2O5/ha) BALANCE Input-output (tonnes P2O5) Average (kg P2O5/ha) Source: Spanish Ministry of Agriculture (nov., 2011); http://www.ruena.csic.es/pdf/04_Balance_F%C3%B3sforo_Espa%C3%B1a-CCAA_2009.pdf Desequilibrios locales por importación masiva de nutrientes Preguntas de difícil respuesta: - ¿Eliminar/depurar para mantener el flujo? - ¿Reducir/recuperar para substituir importaciones? Y aún más: Emisiones de gases efecto invernadero Rajendra Pachauri (chairman IPCC, premio Nobel 2007): “casi el 20% de las emisiones GEI en el planeta son debidas a la producción de carne. Debe reducirse su consumo 1 día a la semana” (declaraciones de 10-9-2008) 1 Tm CH4 equivale a 25 Tm CO2 Ind. Alimentaria: • Fermentación entérica: • 8.190 kTm Aguas residuales: • Gestión de residuos: 1.200 kt CH4/año (aprox.) 8.783 kTm Vertederos: • 12.736,3 kTm Purines cerdo: • 13.382,8 kTm Gestión purines y est.: • 5.887 kTm 3.452,2 kTm Total España (2006): • 433.339,4 kTm Plan de gestión (herramienta básica de planificación) Programa de actuaciones, individual o colectivo, conducentes a adecuar la producción de residuos/subproductos a las necesidades de los cultivos, u otras, en el espacio y en el tiempo Ha de contemplar: Medidas de reducción en origen De caudades y de componentes limitantes (Cu, Zn, N, P,...agua) Análisis de requerimientos. Balance de nutrientes Plan de fertilización, adaptado a cada cultivo Análisis territorial. Transporte y distancias Tratamientos/ procesado Teira-Esmatges y Flotats [2003] Reducción en origen Minimización de caudales, de componentes limitantes y de emisiones gaseosas: Modificación de dietas alimentarias Reducción de N, P, metales pesados Aumento de la digestibilidad Modificación de prácticas de manejo Reducción del consumo de agua Segregación de aguas pluviales Evitar largos periodos de almacén bajo emparrillado Cubrición de balsas Introducción de conceptos de calidad y trazabilidad Ha de haber un incentivo, una medida de los beneficios de estas acciones en la propia actividad (económicos, de imagen,...) .... marcas de calidad? Origen del P orgánico en las deyecciones Phytic acid Calcium phytate Cereal Phytic P (g/kg) Phytic P (% total P) Wheat 2.4 (1.9-2.9) 68 (61-78) Maize 2.0 (1.6-2.6) 73 (61-85) Sorghum 2.2 (1.9-2.4) 68 (61-76) Barley 2.1 (1.9-2.4) 58 (55-62) Phytic acid and phytates are the main storage of phosphorous in seeds. Phytic acid combines with di and trivalent cations, and proteins, making it not available. Release of P requires the action of the phytase enzyme. When not present, phytic P is not available for animal metabolism. Problem for monogastric animals, requiring inorganic P addition to diets. Addition of phytases to animal feeding could decrease manure P in 20-40% (and save inorganic P). Extended use during last years To fit nutritional requirements, depending on growth stage could decrease N and P in manure in 10-15% [Babot et al. (2008), Rebollar y Mateos (1999)] Contenido en P en purines de cerdo (primera estimación, datos en Cataluña) Comparison of pig manure characterizations 1994-2010 Three type of pig farms (blue: breeding; green: fattening; red: breeding and fattening) P/N 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 1990 1995 Navés et al.(1994) n=120 Bonmatí (1998-99) n=50 2000 2005 2010 2015 Year Itagi (2001) n=47 Corominas (2002) n=51 Parera et al. (2010) n=305 Contenido en P en purines de cerdo (primera estimación) P/N 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 1990 -42.6% 1995 2000 2005 2010 2015 Year Significant reduction of P in pig manure during recent years. Thought to come from the extended use of phytases and the decrease of added inorganic P in feedstuff. It is necessary to contrast this first estimate. Plan de fertilización/aplicación, adaptado a cada cultivo Dosis por aplicación Número de aplicaciones al año Dosis anual de aplicación Momento de aplicación Días entre precipitación y aplicación Épocas del año sin posible aplicación Forma de aplicación Medidas complementarias Posibles objetivos de los tratamientos (de las técnicas de procesado) Tratamiento: combinación de procesos unitarios con el objetivo de obtener productos de calidad, adaptados a la demanda Adecuar la producción a las necesidades estacionales de los cultivos Transportar fuera de la zona de producción; reducir volumen Transformar las deyecciones en productos de valor añadido Adecuar la composición a la demanda agrícola Recuperar nutrientes Eliminar nitrógeno Estabilizar, eliminando materia orgánica fácilmente biodegradable Higienizar Eliminar xenobióticos u otros contaminantes orgánicos Producir energía renovable y reducir emisiones de gases de efecto invernadero Reducir emisiones de amoníaco,….. de males olores Tecnológicamente se puede hacer prácticamente todo. Es necesario adoptar la estrategia adecuada, adaptada al problema que se desea solucionar y a las circunstancias y condiciones Estrategia de procesado Una combinación de procesos constituye una estrategia de procesado para cumplir un objetivo concreto Condicionantes: Necesidades de fertilización (en el espacio y el tiempo) Necesidad de fertilizantes orgánicos o minerales Requerimientos del mercado de abonos y enmiendas Impacto ambiental Capacidad de almacén Distancias a recorrer Costes de transporte Disponibilidad de energía térmica Estructura de precios de la energía Economías de escala Estrategias tecnológicas Procesos simples: separación de fases, compostaje de deyecciones sólidas o fracciones sólidas Procesos complejos: precipitación, concentración por evaporación, stripping de amoníaco. La digestión anaerobia favorece estos procesos. Los precios de la energía definen su viabilidad. De purines de cerdo Bonmatí & Flotats (2003) Basadas en recuperación de nutrientes: Recuperación sales de amonio mediante stripping y absorción De purines digeridos Basadas en la eliminación (parcial) de nitrógeno: NDN aplicado a fase líquida y exportación de sólidos Futuros desarrollos en Anammox: la digestión anaerobia previa será factor clave. Los precios de la energía definirán, otra vez, la viabilidad. Los factores energéticos y su economía son limitantes para muchas estrategias. La digestión anaerobia y aprovechamiento energético del biogás es proceso clave Digestión anaerobia Descomposición biológica anaerobia (sin oxígeno) de la materia orgánica, para obtener biogás (metano + dióxido de carbono + trazas de otros gases) Objetivos: • • • • • Estabilización parcial de la materia orgánica. Mineralización Higienización (función de temperatura) Control/reducción de males olores Reducción gases de efecto invernadero Producción de biogás/energía (~ 0,6 3 L gasoil/m de biogás) Contribución del biogás en Europa 2007 (ktep) Usos del biogás: • • • • Calefacción Producción energía eléctrica Inyección a la red de gas natural depurado) Carburante para vehículos (si biogás Planta de co-digestión en granja de cerdos (Vilasana, Lleida, España) Combinación digestión anaerobiacompostaje Planta en granja de 700 vacas de leche y 400 ha de cultivo (cereal), en Girona (España) Procesado de 18.700 t/año de purines vacunos y unas 3100 t/año de cosubstratos Producción de 230 t/año de compost y 2.960 MWhe/año Reducción de emisiones GEI: 1.191 t CO2 equiv/año = 63,5 kg CO2/t deyecciones procesada TIR estimada 2011: 19% http://ec.europa.eu/environment/water/water-nitrates/studies.html Potencial de producción de metano (CH4) de purines Potencial de producción máxima, condiciones normales Fuente: Bonmatí et al. (2001) Potencial máximo si pre-tratamiento térmico 80ºC, 3h Con 3,4% SV: 600 18,1 m3 biogás/m3 557,5 L metano/kg SV 500 400 29,1 m3 biogás/m3 5,0 m3 biogás/m3 347,5 300 3,5 m3 biogás/m3 200 96,1 100 67,7 0 purines frescos purines envejecidos bajo slat Son potenciales. Su realización depende del tiempo de retención. Usual realizar 60-75% Los valores bajos de producción explican las bajas producciones de plantas de biogás que tratan después de elevado tiempo de almacenaje. [Bonmatí et al. (2001)] Se han de tratar los purines tan pronto sea posible y evitar la práctica de almacén bajo el ganado. Esto presenta ventajas sanitarias y de producción animal. [Vanotti et al. (2009)] Estimación de emisiones de CH4 por deyecciones EFi [ kgCH 4 / año] = VS i ⋅ 365 ⋅ BOi ⋅ 0.67 ⋅ ∑ MCF jk ⋅ MS ijk jk Para realizar la estimación hay que establecer los tipos de animales generadores (parámetro i), los sistemas de gestión de los estiércoles (parámetro j) y la zona climática (parámetro k), de los que van a depender las variables que intervienen en la estimación: VSi= producción diaria de sólidos volátiles por el tipo de animal i [kg SV/día] BOi= potencial de producción de metano de los sólidos volátiles [m3 CH4/kg SV]: Vacuno: 0,24; porcino: 0,45; gallinas ponedoras: 0,39; broilers y otras aves: 0,36. MCFjk= fracción de BOi que se emite, en función de j y de k MSijk= fracción de animales de la población i que utilizan el sistema j en la zona climática k Fuente: IPCC (2006) Estimación de la fracción MCF que se emite en función de manejo Fuente: IPCC (2006) Estimación efecto digestión anaerobia en GEI Ejemplo simple de estimación de ahorro de emisiones mediante digestión anaerobia de purines de cerdo en función de contenido en SV y tiempo previo de almacenaje bajo slat - Consumo de energía para mantenimiento de temperatura digestión (cubrir salto térmico de 15ºC a 35 ºC y pérdidas del 20%) - Substitución de gas natural (2,14 Tm CO2/tep) - Pérdidas (MCF) de CH4 del 45% para > 1 mes de almacén previo a digestión, y del 0% si << 1 mes. No pérdidas posteriores. SV (kg /m3) 20 20 50 50 80 Eficiencia elim SV (%) 55,2% 80,0% 51,9% 76,9% 43,1% Emisiones emitidas (kg CO2/m3 purines): << 1 mes 0 0 0 0 0 > 1 mes 67,8 67,8 169,6 169,6 271,4 Emisiones ahorradas por generación energía (substitución gas natural) (kg CO2/m3 purines) << 1 mes 4,0 8,1 16,4 26,7 23,4 > 1 mes -0,1 2,1 6,7 12,4 10,6 Suma de emisiones ahorradas (no emitidas + generación energía) (kg CO2/m3 purines) << 1 mes 71,8 75,9 186,0 196,3 294,8 > 1 mes -0,1 2,1 6,7 12,4 10,6 Para << 1 mes: % de mitigación por no emitir: 94,4 89,3 91,2 86,4 92,1 por substitución energía fósil: 5,6 10,7 8,8 13,6 7,9 80 67,6% 0 271,4 39,6 19,5 311,0 19,5 87,3 12,7 Ventajas. Reducción de malos olores Reducción de malos olores de deyecciones ganaderas mediante digestión anaerobia (Wilkie, 1998) TON (Threshold Odor Number) Purines no digeridos Efluente digestión anaerobia Purines no digeridos, 3 días en balsa Reducción olor 247 7 - 97 % 437 + 77 % Panel de 15 personas; TON: veces que hay que diluir al 50% con agua para no detectar olor ofensivo por parte del panel Ventajas. Mineralización, reducción tamaño partícula y de viscosidad Volatilización de N-amoniacal después de la aplicación (Kaiser, 2010). - Menor para purines digeridos - Pero mayor volatilización en la balsa post-digestión: deben ser cubiertas Otro beneficio: eliminación de semillas de malas hierbas, y de huevos y larvas de insectos (Jeyanayagam y Collins, 1984). Recuperación de nutrientes • Precipitación de • • estruvita: Obtención de sales de amonio, fósforo y magnesio Stripping y absorción: Obtención de aguas amoniacales y/o sales de amonio Concentración: Obtención de fangos ricos en sales de amonio y fósforo La digestión anaerobia previa favorece estos procesos Inversión en plantas de biogás: economía de escala Inversión (€/kWe) 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Potencia eléctrica (kW) Rentabilidades aceptables si producción específica de biogás >30 m3/Tm residuo tratado. Necesidad de codigestión Fuente: Flotats y Sarquella (2008). Producción de biogás por codigestión anaerobia (www.icaen.net) Otros limitantes económicos: conexión a red eléctrica; costes de gestión de digestato; accesibilidad a cosubstratos Promoción del biogás en Europa El Parlamento Europeo exhorta a los países miembros a incrementar el soporte a las plantas de biogás y a la Comisión Europea a preparar una Directiva al respecto. Exhorta a modificar la legislación para superar barreras actuales. Indica que actualmente se generan 1,2 Mtep (en realidad es más) cuando tan solo las deyecciones ganaderas en Europa ya podrían dar 19,8 Mtep Desea que el biogás pueda cubrir el 20% de la oferta de energía renovable en el año 2020 La producción de biogás en Europa (ktep/año) Alemania Gran Bretaña Francia Italia Austria España Holanda Suecia Dinamarca Polonia Total UE Recuperación de biogás de vertederos 346,3 1.393,1 338,5 314,7 4,8 116,1 48,4 24,9 7,2 21,0 Digestión de lodos de plantas depuradoras 386,9 191,3 51,8 2,1 5,8 49,1 47,7 52,5 20,7 43,0 Plantas de biogás específicas y codigestión 2.925,9 28,6 71,1 206,3 27,3 79,9 19,1 65,6 0,6 Total 2007 3.659,1 1.584,4 418,9 387,9 216,9 192,4 176,5 96,5 93,5 64,7 2.794,5 925,3 3.503,5 7.223,5 Producción de biogás en la Unión Europea con fines energéticos en el año 2007, en unidades de energía primaria (ktep), para los 10 países con mayor producción (EurObserv’ER, 2009) Las estimaciones del biogás producido en 2010 se encuentran en 8,2 Mtep, muy por debajo del objetivo del plan de acción de biomasa, que era de 15 Mtep para el biogás. Estudio sobre las actividades de procesado de deyecciones en Europa http://ec.europa.eu/environment/water/water-nitrates/studies.html Estudio sobre las actividades de procesado de deyecciones en Europa Procesado del 6,2% de las deyecciones generadas en Europa, obteniendo los siguientes productos: Code Short name: Type Amounts, thousand tonnes per year 1 Separation solids: 2,979 2 Separation liquids: 26,811 3 Treated manure: Products that mainly have different pH or bacteriological characteristics, while the dry matter content and the content of plant nutrients remain unchanged, while use of sulphuric acid will lead to an increased content of sulphur. 7,041 4 Digestate: Product with a lower dry matter content and a higher share of mineralised nitrogen than the undigested raw livestock manure. 94,039 5 Manure compost: 15,553 6 Dried manure and pellets: 886 7 Ashes and charcoal: Products with high dry matter content but without or with very low organic matter concentration, such as ashes from combustion or charcoal from pyrolysis. 124 8 Filter water: Water with minimal amount of organic matter, that technically is clean enough to be disposed of in the nature, or used as irrigation water; 1,257 9 Reject water: Reject water with some content of organic matter; 4,465 10 Concentrates: Substrates with minimal amount of organic matter, with a high nitrogen, magnesium or phosphorus fertilising value; 11 Process sludge, such as sludge from biological processes or concentrates from membrane processes. 97 901 Evaluación de gestión de estiércoles y tecnologías de tratamiento para una protección ambiental y una ganadería sostenible en Europa LIFE+ MANEV www.lifemanev.eu Evaluation of manure management and treatment technology for environmental protection and sustainable livestock farming in Europe. LIFE + MANEV: DATOS GENERALES ○ Duración: 01/01/2011 - 31/12/2014. ○ Presupuesto: Presupuesto total del proyecto:………………4.165.832 € Contribución de la Comisión Europea:………2.076.153 € ○ Ámbito: Política Medioambiental y Gobernanza ○ Área de política: Cambio Climático Universidad de Aarhus (Dinamarca) Administración de la Región de Warmia Mazury (Polonia) Universidad de Milán (Italia) GIRO CT (España) CRPA (Italia) SODEMASA SAU (España) ITACyL (España) CEBAS-CSIC (España) LIFE + MANEV: OBJETIVOS Mejora de la protección del medio ambiente así como la calidad y la sostenibilidad de la ganadería potenciando el uso de tecnologías de tratamiento en diferentes zonas saturadas o excedentarias en la producción de deyecciones ganaderas de toda Europa. Evaluación de tecnologías mediante un protocolo común: 13 plantas a escala real localizadas en 8 áreas saturadas y en 4 países diferentes. Desarrollo y obtención de una herramienta informática para la evaluación, toma de decisiones y planificación de la gestión de estiércoles. Transferencia de los conocimientos adquiridos en este ámbito a zonas con problemática similar. 01/01/2011 01/01/2012 01/01/2013 01/01/2014 31/12/2014 PREPARACIÓN PROTOCOLO EVALUACIÓN + SOFTWARE RESULTADOS Julio 2012 Evaluación de los sistemas Desarrollo del Software Divulgación Resultados Validación PROTOCOLO DE MONITORIZACIÓN ESCENARIO ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA Atmosfera CO2, CH4, N2O, N2, NO, SO2, H2S Pienso MEDIO AMBIENTE Animal Granja Almacenaje Transporte Tratamiento de estiércol Aplicación al suelo Cultivo Suelo, agua subterránea y aguas superficiales NO2, NH4, K, Cl, SO4, PO4, DQO, Ca, Mg, Na, Cu, Zn Adaptado de Oenema et al. 2008 ACIDIFICACIÓN ENERGÍA ECONOMÍA LEGISLACIÓN SOCIAL SALUD HUMANA Y ANIMAL www.lifemanev.eu EUTROFICACIÓN - Consumo energético - Producción de energía - Costes de inversión - Costes de operación CALENTAMIENTO GLOBAL BALANCE ENERGÉTICO VIABILIDAD ECONÓMICA - Regulación comunitaria - nacional - local - Aceptación de los ganaderos - Concienciación Social -… -Indicadores de sanidad HERRAMIENTA PARA LA TOMA DE DECISIONES GESTIÓN ÓPTIMA DEL ESTIÉRCOL OTROS Síntesis • No hay soluciones tecnológicas únicas aplicables en cualquier situación • Hay que evolucionar: de “echar purines al campo” a “fertilizar con purines”. La mejora de la fertilización como pieza clave • Las tecnologías de procesado de recuperación de energía y nutrientes son prioritarias • Los requerimientos tecnológicos de procesado deben ser resultado de un plan de gestión global, de fertilización • Son más limitantes para la toma de decisiones las herramientas de gestión que las tecnologías • Actuaciones, por orden de prioridad: • • • Minimizar y prevenir Recuperar y obtener productos de calidad, valorizables Eliminar fracciones no valorizables • Palabras clave • • • Conocer Agrupar Planificar • Querer, tener ambición de actuar Necesaria una visión global de la problemática e integral de las soluciones … de lo contrario, los desequilibrios no nos dejarán avanzar racias por su atención