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 1. Lema, Juan y Burgallo, Pastora, [ed.]. Biocombustibles: retos y oportunidades. Santiago de Compostela : s.n., 2009. 978-84-613-4672-1. 2. Los biocarburantes. Ballesteros, Mercedes. 2008. 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. 416–425. 4. Abril, Alejandro y Navarro, Enrique. Etanol a partir de biomasa lignocelulósica. Écija : Aleta Ediciones, 2012. 5. Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks. 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