CUANTIFICACIÓN Y ANÁLISIS DE GASES DE EFECTO INVERNADERO (GEI) EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE LA CAÑA DE AZUCAR, CON BASE EN LAS DIRECTRICES DEL IPCC 2006. CASO DE ESTUDIO: INGENIO PROVIDENCIA S.A.
ANGELA VIVIANA BOHÓRQUEZ LOZANO DIANA CAROLINA LUGO ALVARADO
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA BOGOTÁ 2010
CUANTIFICACIÓN Y ANÁLISIS DE GASES DE EFECTO INVERNADERO (GEI) EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE LA CAÑA DE AZUCAR, CON BASE EN LAS DIRECTRICES DEL IPCC 2006. CASO DE ESTUDIO: INGENIO PROVIDENCIA S.A.
ANGELA VIVIANA BOHÓRQUEZ LOZANO DIANA CAROLINA LUGO ALVARADO
Tesis de grado para optar al título de Ingeniera Ambiental y Sanitaria
Director GABRIEL HERRERA TORRES Ing. Sanitario
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA BOGOTÁ 2010
Nota de aceptación ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________
________________________________ Firma Director de Tesis
________________________________ Firma del jurado 1
________________________________ Firma del jurado 2
Bogotá D.C. 9 de Diciembre de 2009
A mi Padre, Madre y Andre. VIVIANA BOHÓRQUEZ
Para mi familia porque son lo más preciado de mi vida, principalmente a mi madre Norma Alvarado porque gracias a su constancia y esfuerzo soy quien soy y por lo tanto le debo todo, hasta mi vida. A mi hermana Claudia por sus consejos, su apoyo y ante todo por el gran ejemplo de vida que me brinda con su existencia A mi tía Ruby por su dedicación, compañía, comprensión y por creer firmemente en mí. A Daniela y Alejandro por convertirse en fuentes de inspiración en todo lo que hago. A Estefanía y Viviana por sus enseñanzas, su ejemplo, compañía, apoyo y aceptación, pero por encima de todo por su verdadera e incondicional amistad, pues hicieron de mi pregrado una experiencia inolvidable. DIANA LUGO
AGRADECIMIENTOS
Las autoras agradecen a: INGENIO PROVIDENCIA S.A. y todos aquellos trabajadores del mismo, especialmente al Ing. Adolfo León Vivas, Ing. Mauricio Tello, Ing. Walter Rodríguez, Ing. Sandra Salamanca por brindarnos información y orientación y permitirnos el ingreso a las instalaciones para llevar a cabo este estudio. CENICAÑA por sus investigaciones y documentos técnicos de la variedad CC 85 92, pues representaron grandes aportes para el presente estudio. GABRIEL HERRERA TORRES, Director del proyecto, por su disposición para las valiosas jornadas de apoyo, orientación, conocimiento y amistad. RAMIRO BESOSA, quien estuvo siempre dispuesto a ayudarnos e intercedió por nosotras ante el ingenio para el desarrollo del presente proyecto. MILTON SAZA GARAVITO, por sus valiosos aportes y enseñanzas y su completa disposición. JOSEFINA H. SÁNCHEZ CUERVO, por su valioso apoyo y completa disposición para colaborarnos e interceder ante nuestras inquietudes. FABIAN PINZÓN, Director externo, por su apoyo, orientación y colaboración. MARGARITA GUTIERREZ, por su colaboración y guía en el cálculo y en general por la orientación del proyecto. LUIS R. BARRETO PEDRAZA, por sus valiosos aportes en el desarrollo del presente estudio y por su destacada disposición y labor como docente de la Universidad De La Salle. INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES (IDEAM), por permitirnos realizar este proyecto con la asesoría formal de todos sus expertos, a través del acta de compromiso No. 002 de 2008 suscrita entre el mismo y la Universidad De La Salle. ESPERANZA LOZANO R., por su aporte técnico e informático en el desarrollo del libro de cuantificación del presente estudio.
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 2 1
MARCO DE REFERENCIA ...................................................................................... 3
1.1
EFECTO INVERNADERO ........................................................................................ 3
1.2
1.1.1
Gases efecto invernadero. . ........................................................................ 4
1.1.2
Inventarios de GEI . ..................................................................................... 8
BIOCOMBUSTIBLES ............................................................................................... 9 1.2.1
1.3
Ciclo de Vida del Bioetanol. . .................................................................... 12
MARCO LEGAL ..................................................................................................... 20 1.3.1
Internacional. ............................................................................................. 20
1.3.2
Nacional. .................................................................................................... 20
2
METODOLOGÍA ..................................................................................................... 24
2.1
DESARROLLO DEL ESTUDIO.............................................................................. 24
2.2
MÉTODO DE ESTIMACIÓN................................................................................... 24 2.2.1
Sector de energía. ..................................................................................... 26
2.2.2
Sector de procesos industriales y uso de productos (IPPU). .............. 27
2.2.3
Sector de agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra (AFOLU). . 28
2.2.4
Sector Desechos. ...................................................................................... 35
2.3
IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES DE ENTRADA .............................................. 39
3
APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA ................................................................. 44
3.1
LÍMITES DEL ANÁLISIS DEL CDV DEL BIOETANOL......................................... 44
3.2
IDENTIFICACIÓN DE FUENTES DE EMISIÓN ..................................................... 44
3.3
CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES DE EMISIÓN.............................................. 46
3.4
ELECCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO Y RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN .. 47
3.5
3.4.1
Área de estudio. ........................................................................................ 47
3.4.2
Etapa de cultivo. : ...................................................................................... 53
3.4.3
Etapa de cosecha. : ................................................................................... 54
3.4.4
Etapa de proceso industrial. .................................................................... 54
3.4.5
Etapa de distribución. . ............................................................................. 64
3.4.6
Etapa de uso. ............................................................................................. 65
APLICACIÓN DEL MÉTODO DE ESTIMACIÓN ................................................... 65 3.5.1
Sector de energía. . .................................................................................... 65
3.5.2
Sector de agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra (AFOLU). ... 73
3.5.3
Sector desechos. ...................................................................................... 79
4
ANALISIS DE RESULTADOS ............................................................................... 85
4.1
DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) ............................................................................. 87
4.2
METANO (CH4) ...................................................................................................... 89
4.3
ÓXIDO NITROSO (N2O) ......................................................................................... 90
4.4
MONÓXIDO DE CARBONO (CO).......................................................................... 91
5
MITIGACION A LA EMISIÓN DE GEI ................................................................... 92
5.1
MITIGACIÓN EN LA COMBUSTIÓN ESTACIONARIA......................................... 93
5.2
MITIGACIÓN EN LA QUEMA DE CAÑA DE AZÚCAR (PRECOSECHA) ............ 94
5.3
MITIGACIÓN EN EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE DESECHOS ................... 97
6
CONCLUSIONES ................................................................................................... 99
7
RECOMENDACIONES ........................................................................................ 101
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................... 102 ANEXOS
LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Potenciales de Calentamiento Mundial .................................................................. 8 Tabla 2. Procesos de obtención de bioetanol .................................................................... 11 Tabla 3. Procesos en la Clarificación ................................................................................. 17 Tabla 4. Procesos en la destilación .................................................................................... 18 Tabla 5.Normatividad en materia de biocombustibles (alcohol carburante)....................... 22 Tabla 6. Variables de entrada para el sector energía en el CDV del bioetanol.................. 40 Tabla 7. Variables de entrada para el sector agricultura en el CDV del bioetanol. ............ 41 Tabla 8. Variables de entrada para el sector desechos en el CDV del bioetanol. ............. 43 Tabla 9. Área y variedad de las suertes (100 a 104) de la Hacienda la Aurora. ................ 48 Tabla 10. Producción de partes de la caña variedad CC 85-92, y extracción de nutrimentos. ........................................................................................................................ 49 Tabla 11.Manejo agrícola del área de estudio Ingenio Providencia S.A. ........................... 51 Tabla 12. Fertilizantes requeridos en las suertes 101, 101A, 103A y 104B en la Hacienda la Aurora - Cosecha 2008. ................................................................................................. 52 Tabla 13. Cantidad de fertilizante y contenido de Nitrógeno aplicado en el área de estudio (63 ha). ............................................................................................................................... 53 Tabla 14. Vehículos que intervienen en la etapa de cultivo. .............................................. 54 Tabla 15. Vehículos que intervienen en la etapa de cosecha. ........................................... 54 Tabla 16. Composición de las pilas en el Ingenio Providencia S.A.................................... 58 Tabla 17. Características comerciales de PROVICOMP. .................................................. 59 Tabla 18. Vehículos que intervienen en la planta de compostaje. ..................................... 60 Tabla 19. Vehículos que intervienen en la distribución de Bioetanol ................................. 65 Tabla 20. Factores de Emisión de GEI para los combustibles usados en las calderas. .... 68 Tabla 21. Emisiones de GEI en la combustión de Carbón. ................................................ 68 Tabla 22. Fuentes de combustión móvil en las etapas del CDV del bioetanol................... 69 Tabla 23. Consumos de Combustible de las fuentes de emisión móvil. ............................ 72 Tabla 24. Emisiones de GEI por la combustión móvil en el CDV del bioetanol ................. 73 Tabla 25. Factores de emisión para la quema de biomasa................................................ 74 Tabla 26. Emisiones de GEI del sector agricultura. ........................................................... 79 Tabla 28. Emisiones de CH4 de las aguas residuales. ....................................................... 84 Tabla 29. Emisiones de GEI del sector de desechos. ........................................................ 84 Tabla 29. Emisiones de GEI por sectores .......................................................................... 85 Tabla 30. Emisiones de CO2 equivalente del CDV del bioetanol ....................................... 86 Tabla 31. Emisiones de óxido nitroso en el sector agricultura. .......................................... 91 Tabla 32. Alternativas de mitigación de GEI en la combustión de fuentes estacionarias. . 95 Tabla 33. Alternativas de mitigación de GEI en la quema precosecha de caña y tratamiento de desechos. ................................................................................................... 98
LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Efecto Invernadero Natural ................................................................................... 4 Figura 2. Emisiones de GEI antropogénicos*Fuente: IPCC, Informe de Evaluación del Cambio Climático, 2007. ...................................................................................................... 6 Figura 3. Tipos de combustibles obtenidos de biomasa. ................................................... 10 Figura 4. Etapas del ciclo de vida de un producto.............................................................. 12 Figura 5. Ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar. .................................... 13 Figura 6. Fuentes, categorías y subcategorías del sector energía. ................................... 26 Figura 7. Fuentes, categorías y subcategorías del sector agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra. ................................................................................................................. 29 Figura 8. Fuentes y categorías del sector desechos. ......................................................... 36 Figura 9. Límites del análisis del ciclo de vida (ACV) del etanol obtenido de caña de azúcar. ................................................................................................................................ 44 Figura 10. Diagrama de bloques en términos de GEI del ciclo de vida del bioetanol. ....... 45 Figura 11. Aplicación de la metodología del IPCC 2006 al CDV del bioetanol obtenido de caña de azúcar. .................................................................................................................. 46 Figura 12. Maquina volteadora BACKUS Ingenio Providencia S.A.................................... 59 Figura 13. Aireación y aplicación de nutrientes. Ingenio Providencia S.A. ........................ 59 Figura 14. Tanque de Equilibrio - PTAR Ingenio Providencia S.A. .................................... 61 Figura 15. Reactor anaerobio UASB modificado - PTAR Ingenio Providencia S.A. .......... 61 Figura 16. Quemador de biogás. - PTAR Ingenio Providencia S.A.................................... 62 Figura 17. Tanque de aireación o reactor de lodos activados. - PTAR Ingenio Providencia S.A. ..................................................................................................................................... 62 Figura 18. Decantador Secundario. - PTAR Ingenio Providencia S.A. .............................. 63
LISTA DE GRÁFICAS pág. Gráfica 1. Emisiones de CO2 eq en el CDV del bioetanol. ................................................... 87 Gráfica 2. Emisiones de dióxido de carbono en el ciclo de vida del Bioetanol................... 88 Gráfica 3. Emisiones de metano en el ciclo de vida del bioetanol ..................................... 89 Gráfica 4. Emisión de óxido nitroso en el ciclo de vida del bioetanol. ................................ 90 Gráfica 5. Emisiones de CO2 equivalente por actividad en el ciclo de vida del bioetanol. . 92
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE AZÚCAR ANEXO B. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE DESTILACIÓN ANEXO C. CÁLCULOS PARA LA CUANTIFICACIÓN DE GEI ANEXO D. CÁLCULO DE GEI EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE CAÑA DE AZÚCAR-LIBRO DE EXCEL (CD ADJUNTO) ANEXO E. INSTRUCTIVO PARA EL LIBRO DE EXCEL “CÁLCULO DE GEI EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE CAÑA DE AZÚCAR”
GLOSARIO Alcohol Carburante, Alcohol Etílico o Alcohol Anhidro: el alcohol carburante y/o etanol anhidro desnaturalizado es un compuesto orgánico líquido, de naturaleza diferente a los hidrocarburos, que tiene en su molécula un grupo hidróxilo (OH) enlazado a un átomo de carbono. Aporque: es el acto de poner tierra al pie de las plantas, sea como lampa, sea con arados especiales de doble vertedera para darles mayor consistencia y así conseguir que crezcan nuevas raíces asegurando una nutrición más completa de la planta y conservar la humedad durante más tiempo. Arado: labor agrícola, que tiene por objetivo fracturar y voltear el suelo, puede realizarse mecánica o manualmente. Azeótropo: mezcla líquida de dos o más sustancias que se comporta como una sustancia única, en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido. Bioetanol: alcohol etílico que puede producirse de los vegetales que contienen sacarosa (remolacha, caña de azúcar, etc.) o almidón (trigo, maíz, etc.) y al cual se le agrega una sustancia desnaturalizante para convertirlo en no potable. Biomasa: cualquier tipo de materia orgánica que ha tenido su inmediato como consecuencia de un proceso biológico y toda materia vegetal originada por el proceso de la fotosíntesis; así como de los procesos metabólicos de los organismos heterótrofos, el material vegetal recientemente muerto suele estar conceptuado como biomasa muerta. La cantidad de biomasa se expresa mediante su peso en seco o mediante su contenido de energía, de carbono o de nitrógeno. Calentamiento Global: incremento gradual de la temperatura del planeta como consecuencia del aumento de la emisión de ciertos gases de Efecto Invernadero - GEI) que impiden que los rayos del sol salgan de la tierra, bajo condiciones normales. Cambio Climático: variación del estado del clima identificable (por ejemplo, mediante pruebas estadísticas) en las variaciones del valor medio y/o en la variabilidad de sus propiedades, que persiste durante largos períodos de tiempo, generalmente decenios o períodos más largos.
Chulquines: brotes de yemas laterales en el tallo de la caña aún estando en desarrollo; también se les llama lalas. Ciclo de Vida: actividades principales de la vida útil de un producto, desde su manufactura incluyendo la adquisición de materia prima requerida, uso y mantenimiento hasta su disposición final. Cogollo: parte superior de la caña de azúcar que contiene las yemas de más vigor germinativo. Compost: material estable que resulta de la descomposición de la materia orgánica en procesos de compostaje. Destilación: la destilación es la operación de separar mediante calor, los componentes líquidos de una mezcla, aprovechando las diferencias de los puntos de ebullición de dichos compuestos. Dióxido de Carbono: gas que existe espontáneamente y también como subproducto del quemado de combustibles fósiles (como el petróleo, el gas o el carbón), de la quema de biomasa, o de los cambios de uso de la tierra y otros procesos industriales. Es el gas de efecto invernadero antropógeno que más afecta al equilibrio radiativo de la Tierra y es el gas de referencia para la medición de otros gases de efecto invernadero, por consiguiente, su potencial de calentamiento mundial es igual a 1. Distribuidor Mayorista: toda persona natural o jurídica dedicada a ejercer la distribución de combustibles líquidos derivados del petróleo, a través de una planta de abastecimiento, la cual entrega dichos productos con destino a la(s) planta(s) de otro(s) distribuidor(es) mayorista(s), a los distribuidores minoristas o al gran consumidor. Distribuidor Minorista: toda persona natural o jurídica dedicada a ejercer la venta de combustibles líquidos derivados del petróleo al consumidor final, a través de una estación de servicio o como comercializador industrial. Efecto Invernadero: fenómeno en el que los gases de efecto invernadero absorben eficazmente la radiación infrarroja emitida por la superficie de la Tierra, en la atmósfera debido a esos mismos gases, y por las nubes. Fermentación: conversión de los azúcares invertidos en etanol, a través de reacciones bioquímicas ocasionadas principalmente por una cepa especial de levadura.
Flegmazas: subproducto líquido de la rectificación del mosto en la fermentación del etanol. Gases Efecto Invernadero: componente gaseoso de la atmósfera, natural o antropógeno, que absorbe y emite radiación en determinadas longitudes de onda del espectro de radiación infrarroja térmica emitida por la superficie de la Tierra, por la propia atmósfera y por las nubes. Se consideran GEI directos los que se emiten directamente a la atmósfera e indirectos los gases que por reacciones fotoquímicas forman los gases directos. Grados Brix: contenido total de sacarosa disuelta en un líquido. Una solución de 25 °Brix tiene 25 g de azúcar (sacarosa) por 100 g de líquido. Imbibición: desplazamiento de un fluido viscoso por otro fluido inmiscible con este. Metano: el metano es uno de los seis gases de efecto invernadero que el Protocolo de Kyoto se propone reducir. Es el componente principal del gas natural, y está asociado a todos los hidrocarburos utilizados como combustibles, a la ganadería y a la agricultura. Monóxido de carbono: es un gas efecto invernadero indirecto creado cuando el carbono contenido en los combustibles es quemado incompletamente y posteriormente es oxidado a CO2 a través de procesos naturales. La mayoría de las emisiones de CO de la combustión de combustibles proviene de los automotores. Óxido Nitroso: uno de los seis tipos de gases de efecto invernadero que el Protocolo de Kyoto se propone reducir. La principal fuente antropógena de óxido nitroso es la agricultura, pero también hay aportes importantes provenientes del tratamiento de aguas residuales, del quemado de combustibles fósiles y de los procesos industriales químicos. El óxido nitroso es también producido naturalmente por diversas fuentes biológicas presentes en el suelo y en el agua y particularmente por la acción microbiana en los bosques tropicales pluviales. Plántula: pequeña planta nacida de semilla de la caña de azúcar, que es sembrada sobre el surco del cultivo. Potencial de Calentamiento Mundial o Global: índice basado en las propiedades radiativas de una mezcla homogénea de gases de efecto invernadero, que mide el forzamiento radiativo producido por una unidad de masa de un gas de efecto invernadero homogéneamente mezclado en la atmósfera actual, integrado a lo largo de determinado horizonte temporal, respecto del forzamiento por dióxido de carbono. Representa el efecto combinado de los diferentes períodos de permanencia de esos gases en la atmósfera, y
su eficacia relativa de absorción de la radiación infrarroja saliente. El Protocolo de Kyoto está basado en los PCM de los impulsos de emisión a lo largo de 100 años. Rastrillado: labor agrícola que tiene como finalidad destruir terrones grandes y garantizar un contacto óptimo entre la semilla y el suelo, se realiza por medio de rastrillos. Replante: es una práctica agrícola que consiste en enterrar plantas de mayor edad en los sitios donde las plantas se perdieron después del corte. Resiembra: es una práctica agrícola que consiste en plantar nuevamente cepas o tallos, en los sitios donde el material no germinó o las plantas se perdieron después del corte. Siembra: labor agrícola en la que se coloca la semilla o material vegetativo de una planta en los surcos, puede realizarse mecánica o manual. Subsolado: labor agrícola que consiste en fracturar el suelo hasta una profundidad de 60 centímetros, con el fin de destruir las capas compactas o impermeables y de esta manera, mejorar la estructura y facilitar el movimiento del aire y del agua en el suelo. Surcado: labor agrícola que consiste en hacer surcos o camas donde se coloca la semilla o material vegetativo de siembra. Se ejecuta con un surcador acoplado a un tractor agrícola o de manera manual con el uso de vehículos de tracción animal. Surco: hendidura que se labra en un cultivo, donde se colocan las semillas o material vegetativo. Vinaza: subproducto líquido de la destilación del mosto en la fermentación del etanol, con gran contenido de materia orgánica y nutrientes como nitrógeno, azufre, fósforo y potasio. Entre los compuestos orgánicos más importantes, están los alcoholes, ácidos orgánicos y aldehídos, además de contener compuestos fenólicos recalcitrantes, como las melanoidinas.
ABREVIATURAS ACV: análisis de ciclo de vida. AFOLU: agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra CDV: ciclo de vida del bietanol. CENICAÑA: Centro de Investigación de Caña de Azúcar de Colombia. CMCC: Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático. CONPES: Consejo Nacional de Política Económica y Social. COVDM: compuestos orgánicos volátiles diferentes al metano. DBO: demanda biológica de oxigeno. DQO: demanda química de oxigeno. E10: mezcla de etanol al 10% (v/v). E20: mezcla de etanol al 20% (v/v). EPA: United States Environmental Protection Agency. GEI: Gases Efecto Invernadero. ICONTEC: Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación. IDEAM: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia. IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change. IPPU: Procesos industriales y uso de productos. ISO: International Organization for Standardization. MAVDT: Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. NTC: Norma Técnica Colombia. OMS: Organización Mundial de la Salud.
PCM: Potencial de Calentamiento Mundial o Global. PNUMA: Programa de la Naciones Unidas para el Medio Ambiento. PTAR: Planta de Tratamiento de Aguas Residuales. SBSTTA: Subsidiary Body on Scientific, Technical and Technological Advic. SST: Sólidos Suspendidos Totales TCH: Toneladas de Caña cortada por Hectárea. UPME: Unidad de Planeación Minero Energética. VCN: Valor Calórico Neto.
RESUMEN Para determinar la viabilidad ambiental del etanol y en general de cualquier biocombustible deben considerarse varios aspectos ambientales que incluyan un estudio detallado a lo largo del ciclo de vida, uno de ellos es el análisis y la cuantificación de los gases efecto invernadero (GEI), en donde se contemplan todas las etapas involucradas en la obtención del biocombustible y se realiza una cuantificación exhaustiva teniendo en cuenta las actividades generadoras de estos gases. En el presente trabajo se analizó el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, en donde se contemplaron las siguientes etapas: cultivo de caña de azúcar, cosecha, proceso industrial de transformación, distribución y uso; y las entradas de insumos con el fin de cuantificar las emisiones de GEI y de esta manera aportar a la futura comparación con el ciclo de vida completo de otros combustibles. Para realizar la cuantificación se adaptaron las directrices del Panel Intergubernamental de Expertos del Cambio Climático (IPCC) 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero, para los sectores energía, agricultura y desechos y los gases dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y monóxido de carbono (CO). La información requerida para la cuantificación fue obtenida del INGENIO PROVIDENCIA S.A. quien brindó datos específicos de cada una de las etapas del proceso tomando como base de estudio sesenta y tres (63) hectáreas de cultivo de caña de azúcar. En el sector energía se cuantificaron las emisiones de GEI producidas por la combustión estacionaria (calderas y modulo de riego) y por la combustión móvil (tractores agrícolas, vehículos en la planta de compostaje, transporte de caña y bioetanol), resultando una emisión total de 4469,497 toneladas de GEI expresadas como CO2 equivalente. En el sector agricultura se cuantificaron las emisiones de GEI, producidas por la quema a cielo abierto del cultivo de caña antes de la cosecha, así como las producidas por la aplicación de fertilizantes y urea, obteniendo finalmente una emisión para el sector de 3100,188 toneladas de GEI expresadas como CO2 equivalente. De la misma manera, en el sector desechos las emisiones de GEI son producto del tratamiento biológico de compost (vinazas) y tratamiento de aguas residuales, con un valor total de 2606,880 toneladas de GEI expresadas como CO2 equivalente y finalmente se considera el proceso de fermentación en el que los productos son el alcohol y el CO2, con un valor de 165,299 ton de CO2 equivalente. Palabras Clave: Gases Efecto Invernadero, Ciclo de vida, IPCC, Análisis de ciclo de vida.
INTRODUCCIÓN La producción de biocombustibles se ha constituido como una iniciativa en materia de energía renovable, eficiencia energética y mitigación de las emisiones de GEI, sin embargo el Órgano Subsidiario de Asesoramiento Científico, Técnico y Tecnológico del Convenio de Diversidad Biológica (SBSTTA), los considera como uno de los nuevos retos que deberá ser evaluado mediante los impactos ambientales en cada una de las fases de la cadena productiva (ciclo de vida) para determinar su viabilidad y sostenibilidad. Por lo anterior, el presente estudio pretende cuantificar y analizar las emisiones de GEI mediante el análisis del ciclo de vida del etanol obtenido de caña de azúcar, (caso de estudio; Ingenio Providencia S.A.) adaptando al mismo las Directrices del Panel Intergubernamental de Expertos del Cambio Climático (IPCC 2006) para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero. En el primer capítulo se exponen los aspectos generales de los GEI y las etapas involucradas en el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar. Se examina también la legislación que regula el uso de los biocombustibles en Colombia. Lo anterior, con el objetivo de dar un marco de referencia íntegro y concreto del trabajo desarrollado. En el capítulo dos (2) se presenta la metodología usada para el cálculo y la manera en la que la misma se adapta al ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar para el caso de estudio. Allí se muestra también el método básico de estimación y se identifican las variables de entrada necesarias para la aplicación de la metodología. En el capítulo tres (3) se muestra el desarrollo del estudio, se establecen los límites del análisis, se identifican y clasifican las diferentes fuentes de emisión presentes en el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, también se muestra como se hizo la elección del área de estudio y la forma en la que se recolectó la información necesaria que constituye las variables de entrada. En el capítulo cuatro (4) se muestran los resultados obtenidos del cálculo para cada gas y se analizan los mismos por medio de gráficas y comparaciones. En el capítulo cinco (5) se proponen alternativas de mitigación de la emisión de GEI, teniendo en cuenta que en el capitulo anterior se identificaron las actividades que más contribuían con la misma. Finalmente, en los capítulos seis (6) y siete (7) se presentan de manera concreta los resultados obtenidos en el estudio y se proponen recomendaciones para complementar y mejorar estudios futuros asociados con los biocombustibles. Este estudio pretende contribuir al balance neto de GEI (que contempla las absorciones) en una estimación futura y también al complejo análisis de los biocombustibles con el fin de crear una línea base que permita la comparación de los mismos con los combustibles fósiles. 1
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Estimar las emisiones de gases de efecto invernadero producidas por el ciclo de vida del etanol obtenido de la caña de azúcar, caso de estudio: INGENIO PROVIDENCIA S.A, con base en los lineamentos del panel intergubernamental de cambio climático IPCC, para la elaboración de inventarios nacionales de gases de efecto invernadero 2006. OBJETIVOS ESPECÍFICOS •
•
•
• •
Identificar y cuantificar el uso de combustibles dentro del ciclo de vida del etanol obtenido del cultivo de la caña de azúcar y las emisiones de gases de efecto invernadero GEI, producidas por los mismos en el INGENIO PROVIDENCIA S.A., con base en los lineamentos del IPCC, para la elaboración de inventarios nacionales de gases de efecto invernadero 2006. Identificar y cuantificar las emisiones de gases de efecto invernadero GEI, producidas por el uso y gestión de la tierra dentro del ciclo de vida del etanol obtenido a través del cultivo de caña de azúcar en el INGENIO PROVIDENCIA S.A., con base en los lineamentos del panel intergubernamental de cambio climático IPCC, para la elaboración de inventarios nacionales de gases de efecto invernadero 2006. Identificar y cuantificar las emisiones de gases de efecto invernadero GEI, provenientes de los desechos generados dentro del ciclo de vida del etanol obtenido a través del cultivo de caña de azúcar en el INGENIO PROVIDENCIA S.A., con base en los lineamentos del panel intergubernamental de cambio climático IPCC, para la elaboración de inventarios nacionales de gases de efecto invernadero 2006. Proponer alternativas para la reducción de gases de efecto invernadero GEI, en el proceso productivo del etanol obtenido de caña de azúcar en el INGENIO PROVIDENCIA S.A. Proponer posibles modificaciones o ajustes a las orientaciones nacionales y a la guía ambiental del subsector de caña de azúcar, de manera que se impulsen las buenas prácticas en materia ambiental, orientadas a la reducción de GEI dentro del ciclo de vida del etanol obtenido de la misma.
2
1 1.1
MARCO DE REFERENCIA
EFECTO INVERNADERO
“La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas” 1 , esta energía que incide sobre la tierra se distribuye a lo largo de su recorrido, entre la atmósfera, tierra y océano, una aproximación de la distribución de la radiación solar, según el IDEAM 2 , es la siguiente: De la radiación total incidente (173.000Teravatios) el 30% es reflejado al espacio exterior. La mayor parte del 70% restante calienta la superficie terrestre, la atmósfera y los océanos (47%) o se absorbe en la evaporación de agua (23%). Relativamente, muy poca energía es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosíntesis. En realidad prácticamente toda la energía es radiada al espacio exterior en forma de radiación infrarroja. La radiación solar entra a la atmósfera terrestre, con longitudes de ondas electromagnéticas entre un intervalo espectral comprendido entre 0,15 y 4,0 µm y se denomina radiación de onda corta, esta energía que incide sobre la superficie de la Tierra es emitida de nuevo hacia la atmósfera como radiación en longitud de onda larga (radiación Infrarroja). A su salida las ondas infrarrojas son absorbidas por los gases atmosféricos aumentando su temperatura; “La absorción de energía por un determinado gas tiene lugar cuando la frecuencia de la radiación electromagnética es similar a la frecuencia vibracional molecular del gas. Cuando un gas absorbe energía, esta se transforma en movimiento molecular interno que produce un aumento de temperatura” 3 Esta absorción por los gases, calienta la atmósfera estimulándolos a emitir radiación de onda más larga, ésta es liberada al espacio e irradiada nuevamente a la superficie de la Tierra, como lo muestra la Figura 1. El IPCC en el Tercer Informe de Evaluación de Cambio Climático, 2001, menciona que “para la media anual y para la Tierra en su conjunto, la energía de la radiación solar que ingresa se equilibra aproximadamente con la radiación terrestre saliente”
1
Academia Colombia de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Inventario preliminar de gases efecto invernadero: Colombia 1990, Bogotá: Agencia de Cooperación Técnica Alemana al Desarrollo (GTZ), 1990, p.5.), 2
IDEAM. Radiación [en línea], BENAVIDES BALLESTEROS, Henry y LEÓN ARISTIZABAL, Gloria Esperanza, Bogotá,[citado 7 de Junio 2009],disponible en internet en: http://www.ideam.gov.co/radiacion.htm#. 3
BENAVIDES BALLESTEROS, Henry y LEÓN ARISTIZABAL, Gloria Esperanza. Op. cit., p.25
3
Figura 1. Efecto Invernadero Natural
Fuente. UNEP- GRID, Arendal 1.1.1 Gases efecto invernadero. Algunos gases de la atmósfera, como el vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y ozono troposférico, entre otros, tienen la propiedad de retener parte de la energía emitida con radiación de onda larga (infrarroja) que la Tierra debería emitir al espacio, denominados Gases Efecto Invernadero (GEI). La Convención Marco de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (CMCC) los define como: “Aquellos componentes gaseosos de la atmósfera, tanto naturales como antropógenos, que absorben y reemiten radiación infrarroja” 4 . Los GEI pueden ser generados naturalmente o como resultado de actividades humanas, el IDEAM los describe así: Los principales gases que surgen naturalmente son: vapor de agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2), el óxido nitroso (N2O), el metano (CH4) y el ozono (O3). Hay además en la atmósfera una serie de GEI creados íntegramente por el ser humano, como los halocarbonos y otras sustancias con contenido de flúor, cloro y bromo, regulados por el Protocolo de Montreal como el hexafluoruro de azufre (SF6), los hidrofluorocarbonos (HFC) y los perfluorocarbonos (PFC). 5
4
ONU. Convención Marco de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, New York, 1992. p.4.
5
BENAVIDES BALLESTEROS, Henry y LEÓN ARISTIZABAL, Gloria Esperanza. Op. cit., p.4.
4
Se consideran GEI directos, el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso y los compuestos halogenados, debido a que estos se emiten directamente a la atmósfera. “Otros GEI son producto de reacciones fotoquímicas, en las que participan sustancias precursoras, denominados gases precursores del ozono, como el monóxido de carbono (CO), los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles diferentes al metano (COVDM), que en presencia de la luz solar contribuyen a la formación de ozono (O3) en la tropósfera” 6 . Los gases efecto invernadero que son cuantificados en el presente trabajo son el dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y monóxido de carbono. •
Dióxido de Carbono (CO2). Es considerado el GEI más importante, debido al papel que desempeña en el sistema atmósfera-océano-tierra y el efecto que tiene sobre los cambios en los balances energéticos de la Tierra, además tiene un tiempo de permanencia en el sistema climático relativamente largo, del orden de un siglo o más, así como lo afirma el IPCC 7 , “Si se mantuvieran las emisiones antropógenas globales netas (es decir, las fuentes antropógenas menos los sumideros antropógenos) en los niveles actuales se llegaría a una tasa casi constante de aumento de las concentraciones, atmosféricas durante dos siglos”, otra de las razones por las cuales es considerado el GEI mas importante. Este gas juega un rol primordial en los procesos biológicos del ciclo del carbono, se encuentra principalmente en el aire y en agua, se puede originar naturalmente o en fuentes antropogénicas. Algunas de las actividades antropógenas que emiten dióxido de carbono son el consumo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y sus derivados y gas natural) y leña para generar energía, en la tala de bosques y en algunos procesos industriales, como la producción de cemento o la fermentación para producir alcohol. Las estadísticas mundiales señalan que “entre 1970 y 2004, sus emisiones anuales han aumentado en aproximadamente un 80%, pasando de 21 a 38 gigatoneladas (Gt) y en 2004 representaban un 77% de las emisiones totales de GEI antropógenos” 8 , este aumento se atribuye principalmente al consumo de combustibles fósiles y a la deforestación. (Ver Figura 2)
•
Metano (CH4). El metano es un GEI que procede de fuentes tanto naturales (por ejemplo en humedales, la descomposición de estiércol animal o la fermentación
6
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Orientación General / PANEL INTERGUBERNAMENTAL DE EXPERTOS SOBRE EL CAMBIO CLIMATICO.(IPCC). Vol.7, p.7.4. 7
IPCC.IPCC-Segunda evaluación Cambio Climático 1995, En: Síntesis Del Segundo Informe De Evaluación Del IPCC Sobre La Información Científica Y Técnica Pertinente Para Interpretar El Artículo 2 De La Convención Marco De Las Naciones Unidas Sobre El Cambio Climático,1995, p.9. 8
IPCC. Cambio Climático 2007 Informe de Síntesis: Contribución de los Grupos de trabajo I, II y III al Cuarto Informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, Ginebra, Suiza, 2007, p.36.
5
entérica en el proceso digestivo de animales herbívoros), como antropógenas (por ejemplo, en el uso de combustible fósil, en el cultivo de arroz bajo riego, las quemas de pre-cosecha o de residuos agrícolas, la disposición de residuos sólidos, la industria del gas natural y el tratamiento anaerobio de aguas residuales). El IPCC declara en su cuarto informe 9 : “La concentración de CH4 en la atmósfera mundial ha aumentado, respecto de un valor preindustrial de aproximadamente 715 ppmm*, hasta 1732 ppmm a comienzos de los años 90, alcanzando en 2005 las 1774 ppmm. Las tasas de crecimiento han disminuido desde el comienzo de los años 90, en concordancia con las emisiones totales (suma de fuentes antropógenas y naturales), que fueron casi constantes durante ese período”;(Ver Figura 2) sin embargo el metano es considerado el segundo GEI mas importante debido a su contribución al forzamiento radiativo. Figura 2. Emisiones de GEI antropogénicos9
Fuente: IPCC, Informe de Evaluación del Cambio Climático, 2007. a) Emisiones anuales mundiales de GEI antropógenos entre 1970 y 2004 b) Grafico circular que representan diferentes GEI antropógenos respecto de las emisiones totales en 2004, en términos de CO2 equivalente. c) Grafico circular que representa diferentes sectores en las emisiones totales de GEI antropógenos en 2004, en términos de CO2 equivalente. (En el sector silvicultura se incluye la deforestación).
9
IPCC. Cambio Climático 2007, Op. cit., p.37
* Coeficiente de mezclado (como indicador de la concentración de GEI): partes por 1000 millones por unidad de volumen.
6
•
Óxido Nitroso (N2O). “El óxido nitroso, cuyas fuentes son de carácter natural y antropogénico, contribuye con cerca del 6% del forzamiento del efecto invernadero” 10 , según el IPCC 1997 11 , tiene un periodo de vida largo entre 100 y 150 años. Es eliminado de la tropósfera (donde actúa como GEI) mediante el intercambio con la estratósfera, donde es destruido lentamente por la descomposición fotoquímica. Sus fuentes incluyen los océanos, la quema de combustibles fósiles, de biomasa y las actividades agrícolas. Las emisiones generadas por suelos agrícolas se consideran las más relevantes por su gran aporte de N2O, se deben principalmente a los procesos microbiológicos de nitrificación y desnitrificación 12 del suelo. Se pueden distinguir dos tipos de emisiones: Las directas (es decir, directamente de los suelos a los que se agrega o libera el N) y las indirectas que pueden ocurrir de dos formas la primera a partir de la volatilización de NH3 y NOx de suelos gestionados y del uso de combustible fósil y quemado de biomasa, y la subsiguiente redeposición de estos gases y sus productos NH4+ y NO3- en suelos y aguas; y la segunda, después de la lixiviación y el escurrimiento del N, principalmente como NO3-, de suelos gestionados. Debido a las actividades antropogénicas, la concentración de óxido nitroso en la atmósfera ha aumentado notablemente, según el IPCC en su cuarto informe de evaluación 13 , la concentración mundial de N2O en la atmósfera aumentó respecto de los valores preindustriales, pasando de aproximadamente 270 *ppmm a 319 ppmm en 2005. (Ver Figura 2)
•
Monóxido de Carbono (CO) Este gas es considerado un GEI precursor del ozono. El monóxido de carbono en la tropósfera, es un oxidante de compuestos de carbono, nitrógeno y azufre, este gas es el principal sumidero de radicales hidroxilo (OH), influencia que afecta indirectamente la formación de otros GEI como el metano y el ozono troposférico. Principalmente la generación de monóxido de carbono antropogénico, ocurre en la combustión incompleta de combustible fósil o biomasa y depende del tipo de motor, tipo de combustible y condiciones de combustión. “Los cálculos
10
BENAVIDES BALLESTEROS, Henry y LEÓN ARISTIZABAL, Gloria Esperanza. Op. cit., p.39
11
IPCC. Estabilización De Los Gases atmosféricos De Efecto Invernadero: Implicaciones Físicas, Biológicas Y Socioeconómica. Grupo técnico III Febrero de 1997, p. 13-14. * Coeficiente de mezclado (como indicador de la concentración de GEI): partes por 1000 millones por unidad de volumen. 12
La nitrificación es la oxidación microbiana aeróbica del amonio en nitrato y la desnitrificación es la reducción microbiana anaeróbica del nitrato en gas de nitrógeno (N2). El óxido nitroso es un producto intermedio gaseoso en la secuencia de reacción de la desnitrificación y un producto derivado de la nitrificación que se fuga de las células microbianas al suelo y, en última instancia, a la atmósfera. IPCC. Tercer Informe de Evaluación de Cambio Climático, 2001: La Base CientíficaResumen para responsables de políticas y resumen técnico, Shanghái, 2001, p.37. 13
IPCC. Cambio Climático 2007, Op. cit., p.37
7
modelizados indican que la emisión de 100 Mt de CO es equivalente, (…) a la emisión de alrededor de 5 Mt de CH4” 14 . Además se estima que el monóxido de carbono en el hemisferio norte, es alrededor del doble que en el hemisferio sur y ha aumentado en la segunda mitad del siglo XX, junto con la industrialización y la población. Generalmente las emisiones de GEI se expresan en unidades de CO2 equivalente (CO2 eq), que es la cantidad de emisión de dióxido de carbono que ocasionaría, el mismo forzamiento radiativo a lo largo del tiempo, que una cantidad de GEI de larga permanencia o una mezcla de los mismos durante un horizonte de tiempo. Para un GEI, las emisiones de CO2 equivalente, se obtienen multiplicando la cantidad de GEI emitida por su potencial de calentamiento mundial (PCM) para un horizonte temporal dado. Los PCM son un índice para calcular la contribución al calentamiento mundial relativo debido a la emisión en la atmósfera de un kilogramo de un gas efecto invernadero, comparado con la emisión de un kilogramo de dióxido de carbono. Los PCM calculados para diferentes horizontes temporales muestran los efectos de los períodos de vida en la atmósfera de los diferentes gases. La Tabla 1 muestra los PCM de los GEI cuantificados en este estudio. Tabla 1. Potenciales de Calentamiento Mundial POTENCIAL DE CALENTAMIENTO MUNDIAL GASES EFECTO (Horizonte Temporal en años) INVERNADERO 20 100 500 DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) 1 1 1 METANO (CH4) 72 25 7,6 ÓXIDO NITROSO (N2O) 289 298 153 MONÓXIDO DE CARBONO (CO) ‐ 1,9 ‐ 15 Fuente: Fourth Assessment Report of the IPCC, 2007 . 1.1.2 Inventarios de GEI. El aumento en la concentración de GEI se manifiesta en cambios en la temperatura y en los fenómenos climáticos de la tierra, lo que ha generado respuestas internacionales enmarcadas en instrumentos jurídicos, como la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático (CMCC) en 1992, el Protocolo de Kyoto en 1997 y el Convenio de Viena en el 2001. Todos con el propósito de disminuir las concentraciones de GEI emitidas a la atmósfera.
14
Forster, P., V. Ramaswamy, P. Artaxo, T. Berntsen, R. Betts, D.W. Fahey, J. Haywood, J. Lean, D.C. Lowe, G. Myhre, J. Nganga, R. Prinn, G. Raga, M. Schulz and R. Van Dorland, 2007: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2007, p.211-214
8
En los artículos 4 y 12 de la CMCC se establece que las partes teniendo en cuenta sus responsabilidades comunes pero diferenciadas y el carácter específico de sus prioridades nacionales y regionales de desarrollo, de sus objetivos y de sus circunstancias, deberán elaborar, actualizar periódicamente, publicar y facilitar a la Conferencia de las Partes, inventarios nacionales de las emisiones antropógenas por las fuentes y de la absorción por los sumideros de todos los gases de efecto invernadero no controlados por el Protocolo de Montreal, utilizando metodologías comparables. Para tal fin, se cuenta con las directrices del Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC) para inventarios nacionales, actualizada en el año 2006. La elaboración de inventarios de GEI permite a los países identificar las principales fuentes generadoras de estos gases y adoptar políticas nacionales para establecer medidas de mitigación del cambio climático, limitando las emisiones antropógenas de GEI y protegiendo y mejorando los sumideros y depósitos. Además los inventarios se utilizan para el análisis de información científica, técnica y socioeconómica con el fin de entender el riesgo que supone el cambio climático provocado por las actividades humanas, sus posibles repercusiones y las posibilidades de adaptación y atenuación del mismo. Uno de los análisis presentados en el cuarto informe del IPCC, declara que desde el año 1970 hasta el 2004 se ha observado un aumento del 70% en las emisiones mundiales de GEI causadas por las actividades humanas, el dióxido de carbono es el GEI con mayor contribución a lo largo de los años, en el año 2004 representó el 76.7% de las emisiones totales de GEI antropógenas, de las cuales el uso de combustibles de origen fósil es responsable de la mayoría de estas; el metano contribuye con 14.3 % y el óxido nitroso con 7.9% de las emisiones totales de GEI antropógenos 16 . En la segunda comunicación nacional publicada en el 2009, la emisión neta de CO2 eq para el año 2004 fue de 180.010,57 Gigagramos, que representa el 0,37 % de la emisión mundial (49 Gigatoneladas) para este año 17 . Con referencia al peso o representatividad del aporte de cada uno de los gases de efecto invernadero (GEI), alrededor del 99% de las emisiones colombianas, en unidades de CO2 equivalentes, se componen de dióxido de carbono (50%), metano (30%) y óxido nitroso (19%); quedando el 1% para el resto de gases que causan efecto de invernadero y que no están dentro del Protocolo de Montreal (halocarbonos y hexafluoruro de azufre). 1.2 BIOCOMBUSTIBLESLos mayores aportes de GEI, se presentan en la producción de energía y transporte, la cual ha tenido especial atención y estudio, con el fin de encontrar soluciones a la generación de GEI, donde se consideran los mecanismos de desarrollo limpio (MDL), entre ellos cambios de tecnologías y combustibles limpios que 16
Ibid. p.211-214.
17
PROGRAMA DE LAS NACIONES UNIDAS PARA EL DESARROLLO (PNUD), MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL (MAVDT) y INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES DE COLOMBIA (IDEAM). Inventario Nacional de Fuentes y Sumideros de Gases de Efecto Invernadero 2000-2004, Bogotá, Octubre de 2009. p.23-29.
9
mitiguen el cambio climático. En los últimos años, se han desarrollado programas para reducir las emisiones GEI que promueven la innovación en tecnología tales como: energía eólica, energía geotérmica, vehículos híbridos (energía eléctrica y combustible), vehículos eléctricos (energía eléctrica) y vehículos de hidrogeno (hidrogeno diatómico), entre otros y el uso de biocombustibles. “Como biocombustible se entiende cualquier tipo de combustible líquido, sólido o gaseoso, proveniente de la biomasa (materia orgánica de origen animal o vegetal). Este término incluye alcohol etílico o etanol, metanol, biodiesel, diesel fabricado mediante el proceso químico de Fischer - Tropsch y combustibles gaseosos tales como hidrógeno y metano” 18 Existen diferentes tipos de biocombustibles como lo muestra la Figura 3. En Colombia, el programa de biocombustibles, promueve la producción y masificación del uso de biocombustibles, especialmente el biodiesel y el bioetanol. Figura 3. Tipos de combustibles obtenidos de biomasa.
Gaseosos
Líquidos
Biogás (CH4 y CO2)
Bioetanol (Alcohol carburante)
Sólidos Paja
Leña sin procesar Biodiesel Biopropano
Astillas Aceites vegetales y ésteres derivados de ellos.
Triturados finos
Aceites de pirolisis
Carbón vegetal
Gas de síntesis
Biodiesel: “es un combustible sustituto del combustible para motores diesel, que puede ser producido partiendo de materias primas agrícolas (aceites vegetales y/o grasas animales), aceites o grasas de fritura usados y metanol o etanol (estos también pueden ser obtenidos a partir de productos agrícolas)” 19 y que se distribuye actualmente en todo el territorio Colombiano.
18
MINISTERIO DE AGRICULTURA Y DESARROLLO RURAL. Estrategias de desarrollo de biocombustibles: Implicaciones para el sector agropecuario, Bogotá D.C. (Septiembre de 2006); p.1. 19
MINISTERIO DE AGRICULTURA Y DESARROLLO RURAL. Estrategias de desarrollo de biocombustibles: Implicaciones para el sector agropecuario, Bogotá D.C. (Septiembre de 2006); p.5.
10
Bioetanol: según la resolución 180158 de 2007 20 , el alcohol carburante y/o etanol anhidro desnaturalizado es un compuesto orgánico líquido, de naturaleza diferente a los hidrocarburos, que tiene en su molécula un grupo hidroxilo (OH) enlazado a un átomo de carbono, que puede producirse de los vegetales que contienen sacarosa (remolacha, caña de azúcar, etc.) o almidón (trigo, maíz, etc.) y al cual se le agrega una sustancia desnaturalizante para convertirlo en no potable y con un contenido de agua menor al 0.7% en volumen por lo que es conocido también como alcohol anhidro o alcohol carburante. La norma colombiana NTC 5308 21 , lo define como etanol anhidro obtenido a partir de la biomasa, con un contenido de agua inferior a 0.7% en volumen. La obtención de bioetanol se hace a través de tres procesos diferentes dependiendo de la materia prima que se utilice para este fin, como se detalla a continuación: Tabla 2. Procesos de obtención de bioetanol PROCESO
FERMENTACION ALCOHÓLICA
DESCRIPCIÓN Proceso catabólico de oxidación incompleta de los compuestos orgánicos en ausencia de aire (oxígeno O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico.
MATERIA PRIMA
CAÑA DE AZÚCAR Y REMOLACHA AZUCARERA
Para la obtención de alcohol carburante, se acompaña este proceso de destilación y secado.
SEGREGACIÓN MOLECULAR
Proceso en el que se fragmenta la biomasa separando las proteínas del almidón de los demás compuestos de la materia prima, para que después de convertido en azúcar fermentable sea expuesto al proceso de fermentación alcohólica y se obtenga el alcohol carburante.
YUCA, MAÍZ Y PAPA.
20
MINISTERIOS DE MINAS Y ENERGÍA, DE LA PROTECCIÓN SOCIAL Y DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Resolución 180158 de 2007, Bogotá D.C., Articulo 2. 21
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION (ICONTEC). Etanol anhidro combustible desnaturalizado obtenido a partir de biomasa, para mezclar con gasolinas motor, empleado como combustible en vehículos con motores de combustión interna de encendido de chispa (NTC 5308), Bogotá, 2004.
11
PROCESO
HIDRÓLISIS CELULOSA
DE
DESCRIPCIÓN
MATERIA PRIMA
Tratamiento térmico con vapor, en donde la temperatura es lo suficientemente elevada para forzar termodinámicamente la disociación del agua líquida creando un medio ácido que supera las barreras energéticas de la hidrólisis y se produce una auto‐hidrólisis que rompe el polímero de la hicelulosa. Luego se procede con una despresurización del material por medio de una evaporación súbita del agua capilar, que tiene el efecto mecánico de desagregar y romper algunas fibras. Una vez finalizada la etapa de pretratamiento se recoge el material y se filtra separando la fracción líquida de la sólida para seguir con el proceso de fermentación alcohólica.
CUALQUIER MATERIA QUE CONTENGA CELULOSA,(DESE CHOS O RESIDUOS AGRÍCOLAS )
Fuente: Las Autoras. Información adaptada de http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes /arauca/87061/docs/C8_L2.htm 1.2.1 Ciclo de Vida del Bioetanol. El término “ciclo de vida” se refiere a las actividades principales de la vida útil de un producto, desde su manufactura incluyendo la adquisición de materia prima requerida, uso y mantenimiento hasta su disposición final. 22 La Figura 4 muestra las etapas típicas del ciclo de vida de un producto, según la EPA. Figura 4. Etapas del ciclo de vida de un producto.
Adaptado de: ENVIRONMENTAL PROTETION AGENCY (EPA): Life Cycle Assessment: Inventory Guidelines and Principles, United States Environmental Protection Agency, 2006, p.1.
22
ENVIRONMENTAL PROTETION AGENCY (EPA): Life Cycle Assessment: Inventory Guidelines and Principles, United States Environmental Protection Agency, 2006, p.1.
12
Análisis de ciclo de vida: Según la norma ISO 14040, el Análisis del Ciclo de Vida (ACV) es una técnica para la evaluación sistemática de los aspectos e impactos ambientales asociados a un producto en todas las etapas de su ciclo de vida (es decir desde la cuna a la tumba) 23 , se efectúa recopilando un inventario de las entradas y salidas relevantes del sistema, previa identificación de los límites del mismo; evaluando los impactos ambientales potenciales asociados a esas entradas y salidas e interpretando los resultados de las fases del inventario e impacto en relación con los objetivos del estudio. Para el análisis de ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar en términos de GEI, es necesario tener en cuenta todas las etapas que intervienen desde el cultivo hasta el uso del producto final. (Ver Figura 5). Figura 5. Ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar.
Fuente: Las Autoras. 23
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION (ICONTEC). Gestión ambiental. Análisis de ciclo de vida. Principios y marco de referencia (NTC 14040), Bogotá, 2006.
13
A continuación se explican de manera general las etapas del ciclo de vida del bioetanol, anteriormente mencionadas. •
Cultivo. El proceso productivo se inicia con la preparación del terreno con el fin de hacer más eficiente el riego, mejorar el drenaje superficial y facilitar el transporte de la caña durante la cosecha. Las labores de cultivo que se realizan en el Valle del Cauca son subsolación, arada con cincel, rastrillada, surcado, siembra, aplicación de riego y fertilizantes. La subsolación es una actividad que consiste en fracturar el suelo hasta una profundidad de 60 cm, con el fin de destruir las capas compactadas o impermeables y de esta manera, mejorar la estructura y facilitar el movimiento del aire y agua. Se realiza por medio de un implemento llamado subsolador recto o curvo acoplado a un tractor con una demanda de potencia entre 200 y 375 hp 24 . Generalmente en esta labor se hacen dos recorridos o pases por el terreno, uno en dirección de la siembra y otro perpendicular a ella. El arado con cincel, se realiza después del segundo pase de subsolado, tiene como objetivo fracturar y voltear el suelo hasta una profundidad entre 30 y 40 cm 25 , con el fin de favorecer la distribución de los agregados y nutrientes, esta labor se realiza en un solo pase perpendicular a la dirección de los surcos y con un implemento llamado rastro arado o arado tipo cincel, acoplado a un tractor enllantado que demanda una potencia de 150 a 250 hp. Después del arado del suelo, se realiza la rastrillada con el fin de destruir los terrones resultantes de las labores anteriormente mencionadas y garantizar el contacto entre la semilla y los nutrientes del suelo, comúnmente se realiza con rastrillos de tiro con discos, operados con tractores de potencia de 120 a 475 hp y dos pases, uno en dirección del surco y otro perpendicular a él. Después de realizadas estas labores el terreno está preparado para el surcado donde se elaboran los surcos y se coloca la semilla o material vegetativo de siembra. El surcado se ejecuta con un surcador acoplado a un tractor con un requerimiento de potencia entre 120 a 150 hp y doble tracción, generalmente los surcos se labran entre 1,5 a 1,8 metros de distancia entre surcos y se realizan dos pases, el primero perpendicular a la dirección de la siembra y el segundo en dirección de la siembra 26 .
24
RODRÍGUEZ, Carlos, A., y DAZA, Oscar H. El Cultivo de la Caña de Azúcar en la Zona Azucarera de Colombia: Preparación de Suelos, CENICAÑA, Cali, 1995. p.111. 25
Ibíd., p.112.
26
Ibíd., p.113.
14
La siembra, es una labor que consiste en la deposición en los surcos de trozos de tallo de 60 cm de largo, con dos a tres yemas sanas (semilleros), para luego taparlos manual o mecánicamente con una capa de suelo de 5 cm de espesor, lo que se denomina aporque. Sin embargo en el desarrollo vegetativo de la planta las semillas que no germinaron son extraídas del surco y resembradas de nuevo, labor que se denomina resiembra y las plantas ya germinadas que no presentan un buen desarrollo también son extraídas y replantadas, labor denominada replante. Generalmente el riego del cultivo se hace por medio de sistemas superficiales por surcos, ventanas o por aspersión. La caña se riega en sus primeras etapas cada 15 o 20 días y después de establecido el cultivo se amplía la frecuencia a 30 días 27 . Además en el desarrollo de la planta es frecuente encontrar malezas y plagas, que se controlan con el uso de herbicidas y plaguicidas o actividades culturales que lo sustituyan. En cultivos de caña de azúcar del Valle del Cauca es común la aplicación de madurantes (Glifosato) 2 o 3 meses antes de la cosecha 28 , que potencializan el almacenamiento de sacarosa en la planta, logrando la máxima acumulación de azúcar, sin embargo el contenido de sacarosa en la planta depende de factores ambientales y características propias de la variedad cultivada. •
Cosecha. La caña se cosecha aproximadamente a los doce meses de edad, uno o dos meses antes 29 se aplica al cultivo un agente denominado madurador, que se encarga de “disminuir el ritmo de crecimiento de la planta, acortar el periodo vegetativo de la misma y a la vez acelerar la concentración de sacarosa” 30 , dicha práctica se realiza mediante fumigación aérea. Cuando el contenido de sacarosa es óptimo, se realiza la quema programada de la caña de azúcar (en algunos casos), según la Resolución 532 de 2005 31 , las quemas abiertas controladas y programadas de cultivos agrícolas, se realizan cumpliendo las distancias mínimas a áreas rurales, aeropuertos, vías principales, corregimientos, subestaciones eléctricas, etc.
27
RAMOS RODRÍGUEZ, Aulio Alberto. Fabricación de Azúcar de Caña en el Ingenio Providencia S.A. Departamento de Elaboración I.P.S.A, Cali, 2005. p.2. 28
Ibíd., p.3.
29
MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE, SOCIEDAD DE AGRICULTORES DE COLOMBIA, ASOCAÑA. Guía ambiental para el cultivo de caña de azúcar versión final, Bogotá D.C., 2002. p.5. 30
Ibíd., p.5.
31
MINISTERIO DE AMBIENTE VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Resolución Numero 532 del 26 de Abril de 2005, Bogotá D.C., Articulo 4.
15
El corte se puede realizar de dos maneras, mecánico o manual. En el corte mecánico se utilizan maquinas cortadoras, llamadas cosechadoras las cuales aportan 1000 toneladas diarias de caña y se puede realizar en verde (sin quema) o después de la quema. El corte manual se realiza generalmente después de la quema programada del cultivo, sin embargo se ha implantado el corte manual en verde en algunas zonas. El corte de caña se realiza manualmente por parte de corteros que utilizan dos pases, uno para cortar la base de la caña y otro para cortar el cogollo, esta etapa también puede realizarse mecánicamente. Finalmente la caña es colocada en montones alineados para ser alzada posteriormente por alzadoras mecánicas, es el proceso siguiente denominado “alce”. La caña cortada manual o mecánicamente se carga en vagones de tractomulas o carros cañeros mediante el uso de alzadoras mecánicas, para ser transportada hacia el lugar de almacenamiento en la fábrica. La guía ambiental para el subsector de la caña de azúcar 32 recomienda que el tiempo que transcurra entre quema, corte y fábrica sea menor a 36 horas para evitar pérdidas de sacarosa en la planta. •
Proceso Industrial: En el proceso industrial del Ingenio Providencia S.A. se llevan a cabo las actividades de preparación, clarificación, cristalización y destilación, las cuales se explican detalladamente a continuación: En la preparación la caña que llega del campo se muestrea con el propósito de conocer la calidad, contenido de sacarosa, fibra y nivel de impurezas, luego se pesa y se almacena para ser llevada al proceso de molienda. Es común que antes de pasar por este proceso, se hagan lavados en seco para retirar hojas y partículas adheridas y se abra la fibra de la caña por medios mecánicos, con el fin de facilitar la posterior extracción del jugo. La caña preparada llega al molino donde se le extrae el jugo a través de un proceso físico de presión, en donde actúan una serie de molinos, cada uno de los cuales está compuesto por tres o cuatro masas metálicas donde se macera la caña, en este proceso se procura obtener la mayor cantidad de sacarosa de la caña recirculando el jugo extraído de un molino a otro y mediante el uso de agua de imbibición*. El bagazo resultante se conduce a almacenamiento para ser utilizado como combustible o para ser vendido a la industria papelera.
32
Ibíd., p.6.
16
En la clarificación el objetivo principal es precipitar los sólidos presentes en el jugo extraído y lograr una masa (meladura) clara, limpia y brillante 33 , este proceso es aplicado al jugo crudo de caña y a la meladura como tal, hasta obtener las características deseadas. Esta actividad contempla los siguientes procesos nombrados en orden de ejecución: sulfitación, alcalización, clarificación de jugo, evaporación y finalmente la clarificación de la meladura, los cuales se describen en la siguiente tabla. Tabla 3. Procesos en la Clarificación PROCESO
DESCRIPCIÓN
SULFITACIÓN
Es una operación en la que se hace pasar el jugo por una torre de sulfitación, en la cual se inyecta dióxido de azufre en contra corriente, para generar un efecto bactericida y reducir la viscosidad, disminuyendo a su vez el color en el jugo.
ALCALIZACIÓN
Luego se realiza la neutralización, bien sea por medios químicos o físicos (adición de cal) logrando llevar el pH a un nivel neutro en donde se elimine el medio ácido y se provoque la precipitación de sólidos.
En este proceso el jugo es calentado provocando la reacción química de aquellos sólidos que persisten, se adiciona floculante que ayuda a la conglomeración de los mismos para promover posteriormente su decantación y obtener dos fases notables: jugo clarificado y sedimento. “Los lodos de los clarificadores se mezclan con bagacillo y forman la CLARIFICACIÓN cachaza, que es separada utilizando filtros rotatorios al vacío donde se forma una torta, DE JUGO la que posteriormente se lleva al campo como acondicionador de suelos” 34 . El jugo clarificado extraído se mezcla con ácido fosfórico, cal y floculante, y por medio de un sistema de aire disuelto se hacen flotar los sólidos presentes en él, con el fin de obtener cada vez un jugo más claro y libre de sólido Para cristalizar la sacarosa, es necesario llevarla a una concentración de 72 ° Brix**, para este fin se somete al proceso de evaporación, donde se concentra la sacarosa en el EVAPORACIÓN jugo retirando más del 90% de agua 35 ; como resultado de este proceso se obtiene la meladura o jarabe, que es sometida posteriormente al proceso de clarificación. La meladura se purifica en el proceso de clarificación, esto se obtiene por medio de la CLARIFICACIÓN sulfitación y la adición de acido fosfórico, floculante y cal, logrando una meladura más DE MELADURA limpia y clara que es enviada posteriormente a cristalizar y un precipitado de impurezas que son recirculadas al proceso de clarificación de jugo.
Fuente: RAMOS RODRÍGUEZ, Aulio Alberto. En la cristalización el agua presente en la meladura continúa evaporándose, induciendo a que los cristales de sacarosa crezcan, quedando un líquido 33
SÁNCHEZ GIL, Nancy. Métodos de clarificación del jugo de la caña de azúcar. Universidad de Los Andes. Escuela de Ingeniería Química, 1978
34
Ibíd., p.8.
35
Ibíd., p.8.
* La Imbibición se define como el desplazamiento de un fluido viscoso por otro fluido inmiscible con este. ** Los grados brix (° Brix) miden el cociente total de sacarosa disuelta en un líquido. Por ejemplo,una solución de 25 ° Brix tiene 25 gr de azúcar (sacarosa) por 100 gr de líquido o, dicho de otro modo, hay 25 gr de sacarosa y 75 gr de agua en 100 gr de la solución.
17
sobrenadante que se denomina miel, “El proceso de cristalización de la sacarosa se hace en tandas, en una serie de tachos de simple efecto operados al vacío, donde se cristaliza la sacarosa (…).El cristal de azúcar se hace inyectando una semilla a una meladura sobresaturada de azúcar” 36 . El grano (semilla) y la miel se separan en centrifugas esta última es enviada al proceso de fermentación, donde continúa su proceso para la obtención de alcohol carburante. En la destilación parte del jugo clarificado, la meladura y la miel de los procesos de clarificación de jugo, evaporación y cristalización respectivamente, son mezclados con el fin de conformar el afluente de alimentación llamado Mosto, esta etapa comprende los procesos industriales de fermentación, destilación, rectificación y deshidratación, para finalmente obtener el bioetanol. Tabla 4. Procesos en la destilación PROCESO
DESCRIPCIÓN La fermentación consiste en la conversión de los azúcares invertidos contenidos en la miel en etanol, a través de reacciones bioquímicas ocasionadas principalmente por una cepa especial de levadura denominada saccharomyces cerevisiae 37 . La conversión se representa mediante la siguiente ecuación 38 :
FERMENTACIÓN
La fructosa y la glucosa reaccionan con la enzima zimasa también llamada zimasa alcohólica 39 presente en la levadura para producir etanol y dióxido de carbono. “En ausencia de oxígeno como sucede en la producción de etanol y si la cantidad de azúcar está por encima del valor crítico (que es función de la cepa y de su velocidad de reproducción), hay gran limitación en la reproducción de levaduras porque están siendo liberados compuestos como el etanol, glicerol, ácido láctico, etc., que aún contienen energía aprovechable, reduciendo su disponibilidad para generar nuevas células. Esta función de producción de alcoholes, se hace en unos equipos llamados: ‘Fermentadores’ o ‘Dornas’.” 40 El producto obtenido en la fermentación se conoce como vino, y contiene un porcentaje de etanol entre 7 y 9 %, que prosigue al proceso de destilación.
36
Ibíd., p.9.
37
Proceso de obtención de etanol. Ingenio Providencia S.A. p.8.
38
VAZQUEZ, H.J. y DACOSTA, O. Fermentación alcohólica: Una opción para la producción de energía renovable a partir de desechos agrícolas. INGENIERIA Investigación y Tecnología Vol. VIII No. 4 Departamento de sistemas, Universidad Autónoma metropolitana, Unidad Azcapotzalco, México y Oficina de Consejo, Desarrollo y Transferencia Tecnológica, Dijon, Francia, Octubre-Diciembre 2007.p.252 39
TOGORES, José Hidalgo. Tratado de enología Tomo I Volumen I. 2003.p.478.
40
Proceso de obtención de etanol. Ingenio Providencia S.A. p.12.
18
PROCESO
DESTILACIÓN
RECTIFICACIÓN
DESHIDRATACIÓN
DESCRIPCIÓN Este proceso consiste en separar mediante calor, los diferentes componentes líquidos del vino, aprovechando los puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias a separar. En esta separación de los componentes del vino por evaporación fraccionada; los constituyentes más volátiles de la mezcla inicial se obtienen en mayor concentración en forma de gases y los menos volátiles en residuos líquidos, llamados vinazas. Las vinazas son sustancias que se “caracterizan por su alto contenido de materia orgánica, K, Ca, Mg, S y N. Su densidad está alrededor de 1.2 kg/L y su contenido de sólidos (%brix) varía entre 10 y 60%, dependiendo de la materia prima utilizada, siendo más rica en elementos la obtenida a partir de la melaza” 41 , estas vinazas generalmente se usan para la obtención de compost o como fertilizante en los cultivos de caña de azúcar. Los gases que se obtienen en la columna de destilación, son enviados a la columna de rectificación, donde se concentran. La columna rectificadora concentra el alcohol hasta un 95 % v/v aproximadamente, en este proceso se obtienen impurezas llamadas Flegmazas, las cuales se tratan en sistemas de tratamiento de aguas residuales industriales. El etanol rectificado al 95% se envía a deshidratación, ya que por la temperatura y presión empleadas en este proceso se forma un azeótropo* que no permite separar el contenido restante de agua del etanol. Se lleva a cabo con tamices moleculares especiales que deshidratan el alcohol hasta una concentración del 99.5% (v/v), requisito de calidad del etanol anhidro para la comercialización de biogasolina (E10) en Colombia según la Resolución 447 de 2003 42 . En esta operación unitaria es normal encontrar tamices moleculares en paralelo que trabajen alternadamente; cuando una está en adsorción o deshidratación, el otro está en regeneración. Para proteger los tamices moleculares y evitar la condensación en las torres, el alimento debe entrar como vapor sobrecalentado. Finalmente el alcohol anhidro o alcohol carburante que se obtiene después de la deshidratación, es enviado a tanques de almacenamiento de capacidad tal, que pueda cubrir la demanda de etanol anhidro de los distribuidores mayoristas que atiende durante un tiempo mínimo de diez (10) días, en donde se vigila su estado y calidad.
Fuente: RAMOS RODRÍGUEZ, Aulio Alberto La distribución del alcohol carburante se efectúa desde las instalaciones de almacenamiento del ingenio, hasta los puntos de mezcla que varían según el comprador del producto, allí se mezcla con gasolina básica en un 90±5% y alcohol carburante en un 10±5%, para obtener el biocombustible o biogasolina E10. El 41
QUINTERO, R. Resultados preliminares y proyecciones acerca del uso de vinaza en Colombia. En VI Congreso Colombiano de la Asociación de Técnicos de la Caña de Azúcar, Tecnicaña, 2003. Vol 1, p. 113-121. Citado por: HERREDA U. Jorge Julio y BESOSA T. Ramiro. Uso de Vinaza como Fertilizante en el Ingenio Providencia, Tecnicaña VII Congreso 2006, Vol 1, Ingenio Providencia S.A., Cali, Colombia, 2006, p.124. 42
MINISTERIOS DE MINAS Y ENERGÍA, DE LA PROTECCIÓN SOCIAL Y DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Resolución 447 de 2003, Bogotá D.C., Articulo 1. * Mezcla líquida de dos o más sustancias que se comporta como una sustancia única, en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido. La mezcla en ebullición constante muestra un punto máximo o mínimo de ebullición, comparado con el de otras mezclas de las mismas sustancias.
19
biocombustible se distribuye a los minoristas en vehículos cisterna o enviada a través de poliductos en el caso de ECOPETROL 43 y posteriormente a las estaciones de servicio. En la etapa de uso, la biogasolina, se comercializa a través de las estaciones de servicio en las ciudades de Bogotá, Cali, Medellín, Barranquilla, Bucaramanga, Cartagena, Cúcuta y Pereira, según el programa de oxigenación de combustibles 44 . 1.3 MARCO LEGALInternacional. Los instrumentos jurídicos internacionales que intervienen en este estudio son Tratados y Convenciones en materia de cambio climático. Convenciones y tratados, La CMCC es el marco principal para promover las respuestas internacionales al cambio climático, fue celebrada en Rio de Janeiro y adoptada en Nueva York el 9 de mayo de 1992, cuyo objetivo es la “estabilización de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera a un nivel que impida interferencias antropógenas peligrosas en el sistema climático. Ese nivel debería lograrse en un plazo suficiente para permitir que los ecosistemas se adapten naturalmente al cambio climático, asegurar que la producción de alimentos no se vea amenazada y permitir que el desarrollo económico prosiga de manera sostenible” 45 , en dicha convención los estados que la adoptan se comprometen a elaborar inventarios nacionales de las emisiones antropógenas y de la absorción por los sumideros de los GEI, así como el diseño de políticas nacionales de reducción de emisiones, la implementación de medidas de mitigación al cambio climático que consideren la disminución de estas emisiones y el mejoramiento de la calidad de sus sumideros. El convenio entra en vigor el 21 de marzo de 1994 y es ratificado en Colombia mediante la ley 164 de 1995. En la tercera conferencia de las partes (1997) se aprobó el Protocolo de Kyoto, en el cual los países integrantes del Anexo I acordaron reducir sus emisiones globales de gases de efecto invernadero al menos un 5% por debajo de los niveles de 1990. Este protocolo es un instrumento jurídico con fuerza vinculante, es decir, de obligatorio cumplimiento y marcó un primer paso hacia la mitigación del cambio climático. 1.3.2 Nacional. Para el buen desarrollo del estudio fue necesario plantear, de manera general, la normatividad aplicable a los biocombustibles en Colombia, partiendo de las disposiciones de la Constitución Política Colombiana como ley de leyes.
43
MINISTERIOS DE MINAS Y ENERGÍA, DE LA PROTECCIÓN SOCIAL Y DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Resolución 180158 de 2007, Bogotá D.C., Articulo 2. 44
Ibíd., p.5.
45
ONU. Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, New York, 1992. Articulo 2.
20
Constitución Política de Colombia. Algunos derechos constitucionales que interfieren y justifican la implementación de biocombustibles en Colombia, se mencionan en los artículos 8 y 95 numeral octavo, en donde se establece como obligación del estado y de las personas: proteger las riquezas naturales y velar por la conservación de un ambiente sano. El derecho a gozar de un ambiente sano y la responsabilidad del estado de planificar el manejo y aprovechamiento de los recursos naturales con el fin de garantizar el desarrollo sostenible, además deberá controlar y prevenir los factores que deterioran el medio ambiente se declaran en los artículos 79 y 80 respectivamente, con el fin de asegurar el derecho a la vida (artículo 11). Políticas de biocombustibles. El Plan Nacional de Desarrollo 2006-2010 46 , plantea que el Gobierno Nacional promoverá el uso de los biocombustibles en Colombia teniendo en cuenta la necesidad de garantizar el abastecimiento energético del país, disminuyendo la dependencia de los combustibles fósiles y mitigando los efectos ambientales del consumo de combustibles fósiles; adicionalmente en el capítulo 5 del mismo plan se establece que el Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT) promoverá la articulación de las estrategias de prevención y control de la contaminación del aire, con la promoción por parte del Gobierno de los combustibles más limpios, entre ellos los provenientes de cultivos con potencial de producción de biodiesel y alcohol carburante. Siendo así, el Consejo Nacional de Política Económica y Social (CONPES) aprobó el documento 3510 el 31 de Marzo de 2008, “Lineamientos de política para promover la producción sostenible de biocombustibles en Colombia” la cual plantea estrategias orientadas a generar condiciones necesarias para el mejoramiento de la eficiencia productiva de la agroindustria de los biocombustibles, de manera económica, social y ambientalmente sostenible; dentro de éstas específicamente la estrategia J, “Desarrollo de acciones para garantizar un desempeño ambientalmente sostenible a través de la incorporación de variables ambientales en la toma de decisiones de la cadena productiva de biocombustibles.” en su subestrategia 4, “Promover opciones de reducción y mitigación de emisiones de gases efecto invernadero (GEI) en el marco del Protocolo de Kyoto y de los mercados voluntarios de carbono” 47 , busca evaluar los balances y mitigación de GEI de diferentes biocombustibles, tomando en cuenta en este análisis los ciclos completos y los balances globales de los proyectos de biocombustibles en el país. Disposiciones legales en materia de biocombustibles. Se platea en forma general la normatividad en materia de biocombustibles que de una u otra forma interviene en el estudio, limitando las disposiciones sobre alcohol carburante en el país, como se muestra en la Tabla 5.
46
DEPARTAMENTO NACIONAL DE PLANEACIÓN (DNP). Plan Nacional de Desarrollo Estado Comunitario: desarrollo para todos, Bogotá D.C., Colombia, 2007; Tomo uno, p.274-277.
47
CONPES. Documento CONPES 3510: Lineamientos de política para promover la producción sostenible de biocombustibles en Colombia, Bogotá D.C., 2008, p.39.
21
Tabla 5.Normatividad en materia de biocombustibles (alcohol carburante)
NORMATIVIDAD
DESCRIPCIÓN LEYES
LEY 693 DEL SEPTIEMBRE 19 2001
LEY 697 DE OCTUBRE 5 2001
LEY 939 DE 31 DE DICIEMBRE DE 2004
Por la cual se dictan normas sobre el uso de alcoholes carburantes, se crean estímulos para su producción, comercialización y consumo, y se dictan otras disposiciones; autoriza el uso de gasolinas oxigenadas con contenido de alcoholes carburantes en los centros urbanos de más de 500.000 habitantes a partir de la vigencia de la misma. Mediante la cual se fomenta el uso racional y eficiente de la energía, se promueve la utilización de energías alternativas y se dictan otras disposiciones; declara el Uso Racional y Eficiente de la Energía (URE) como un asunto de interés social, público y de conveniencia nacional, fundamental para asegurar el abastecimiento energético pleno y oportuno, la competitividad de la economía colombiana, la protección al consumidor y la promoción del uso de energías no convencionales de manera sostenible con el medio ambiente y los recursos naturales. Además crea estímulos para la investigación de energías eficientes, entre ellas las que se producen a partir de Biomasa. Incentivo para la producción de biocombustibles. En diciembre de 2004 se expidió la ley 939, con el propósito principal de estimular la producción y comercialización de biocombustibles de origen vegetal o animal para uso en motores diesel a través de las exenciones de los impuestos del IVA e impuesto global para el productor de biocombustible.
DECRETOS DECRETO 2629 DE 10 DE JULIO DE 2007
DECRETO 2328 DEL 25 DE JULIO DE 2008
DECRETO 1135 DE 31 DE MARZO DE 2009
Por medio del cual se dictan disposiciones para promover el uso de biocombustibles en el país, así como medidas aplicables a los vehículos y demás artefactos de motor que utilicen combustibles para su funcionamiento. Proyecta el uso de biocombustibles para el año 2010, producción, transporte, distribución y uso de Biogasolina será con el 20 % de Alcohol Carburante (E20) y 80 % de Gasolina básica, además el 10% de Biodiesel y 90% de Diesel básico (B10). Por el cual se crea la Comisión Intersectorial para el Manejo de biocombustibles, la cual coordina la formulación e implementación de políticas, promueve el desarrollo y la innovación en la producción y manejo de biocombustibles, además mecanismos de cooperación entre entidades nacionales e internacionales, entre otros. Por la cual se modifica el decreto 2629 de 2007, en relación con el uso de alcoholes carburantes en el país y con las medidas aplicables a los vehículos automotores que utilicen gasolinas para su funcionamiento. Es así como se decreta que a partir del primero de enero del 2012, el 60% de la provisión anual de vehículos automotores (hasta 2000 cm3 de cilindrada) que requieran gasolina deberán funcionar con motores Flex‐fuel (E85), es decir, que puedan funcionar normalmente utilizando indistintamente gasolinas básicas o mezclas compuestas por gasolina básica de origen fósil con al menos 85% de alcohol carburante. Además se fija el plazo de acondicionamiento para el uso de E85, en el 2014 el 80% de los vehículos que se comercialicen anualmente deberán soportar E85 y en el 2016 el 100%. A partir 2013, los vehículos con cilindrada mayor a 2000 cm3 de todas las marcas y modelos, deberán soportar E 85.
22
NORMATIVIDAD
DESCRIPCIÓN RESOLUCIONES Por la cual se modifica parcialmente la Resolución 898 del 23 de agosto de
RESOLUCIÓN 0447 DEL 1995, que regula los criterios ambientales de calidad de los combustibles 24 DE ABRIL DE 2003 líquidos y sólidos utilizados en hornos y calderas de uso comercial e industrial y en motores de combustión interna. Por la cual se expide la regulación técnica en relación con la producción, acopio, distribución y puntos de mezcla de los alcoholes carburantes y su RESOLUCIÓN. 18 0687 uso en los combustibles nacionales e importados con el fin de evitar los eventuales riesgos que puedan afectar la seguridad de los usuarios, DE JUNIO 17 DE 2003 prevenir practicas que induzcan al error y disminuir las emisiones al medio ambiente por su uso. También reglamenta el 10±5 de alcohol anhidro en volumen a 60 grados Fahrenheit a utilizar en la mezcla con gasolina básica a partir de la vigencia de la misma. Por la cual se establecen requisitos, términos, condiciones y obligaciones, para las quemas abiertas controladas en áreas rurales en actividades RESOLUCIÓN 532 DE 26 agrícolas y mineras. Contiene las distancias mínimas de protección para la DE ABRIL DE 2005 práctica de quemas abiertas controladas en áreas rurales para la recolección de cosechas en actividades agrícolas. RESOLUCIÓN 181069 Por la cual se modifica la Resolución 180687 del 17 de junio de 2003 y se establecen otras disposiciones, como la modificación del registro de DE 18 DE AGOSTO DE productores de alcohol carburante, las obligaciones del productor y 2005 distribuidor de alcohol carburante en materia de calidad del producto. Por la cual se modifican parcialmente las resoluciones 1565 y 1289, del 27 RESOLUCIÓN 1180 DE de diciembre de 2004 y 7 de septiembre de 2005, respectivamente. El 21 DE JUNIO DE 2006 MAVDT decreta los requisitos de calidad de gasolinas básicas y sus mezclas con biocombustibles para Bogotá D.C. Por la cual se determinan los combustibles limpios de conformidad con lo RESOLUCIÓN 18 0158 consagrado en el Parágrafo del Artículo 1º de la Ley 1083 de 2006 y se dictan las normas de emisión permisibles para vehículos vinculados a la DE 2 DE FEBRERO DE prestación del servicio público de transporte de pasajeros que funcionen 2007 con combustibles limpios, presentando los límites máximos de emisión permisibles para vehículos con motor a diesel y a gasolina.
.
23
2 2.1
METODOLOGÍA
DESARROLLO DEL ESTUDIO
El presente estudio se realiza en el siguiente orden: I. II. III. IV. V.
2.2
Establecimiento de los límites del análisis del ciclo de vida del bioetanol. Identificación de las fuentes de emisión de GEI en cada una de las etapas del CDV del bioetanol. Clasificación de las fuentes previamente identificadas en cada sector de la metodología e identificación de las variables de entrada. Elección del área de estudio y recopilación de información necesaria para la cuantificación de los GEI en el CDV del bioetanol. Aplicación del método de estimación de las emisiones de GEI en el CDV del bioetanol. MÉTODO DE ESTIMACIÓN
La metodología usada para el presente estudio es la establecida en las directrices del IPCC para inventarios nacionales de emisiones de GEI, actualizadas en el año 2006. Esta metodología constituye el resultado de la invitación efectuada por la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMCC) para actualizar las Directrices, versión revisada en 1996 y la orientación de buenas prácticas 48 , en las que se brindan metodologías acordadas internacionalmente 49 con el objeto de estimar los inventarios de gases de efecto invernadero e informarlos a la CMCC. En este sentido, las directrices del IPCC proponen el uso de diferentes métodos o niveles, priorizando los que produzcan las estimaciones más exactas de acuerdo con las circunstancias de estudio y la disponibilidad de datos. Asimismo, recomienda utilizar metodologías alternas cuando se crea que reflejan mejor la situación de estudio, siempre que esas metodologías sean coherentes y transparentes y estén bien documentadas. Además, comprende factores de emisión por omisión o datos de actividad por defecto, cuando no se tiene información detallada para las condiciones.
48
Las Directrices del IPCC para los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero, versión revisada en 1996 (1996 Guidelines, IPCC, 1997), la Orientación sobre las buenas prácticas y la gestión de la incertidumbre en los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero (GPG2000, IPCC, 2000) y la Orientación sobre las buenas prácticas para uso de la tierra, cambio de uso de la tierra y silvicultura (GPG-LULUCF, IPCC, 2003). 49
Véase el Informe de la Cuarta sesión del Órgano Subsidiario de Asesoramiento Científico y Tecnológico (FCCC/SBSTA/1996/20), párrafo 30; decisiones 2/CP.3 y 3/CP.5 (Directrices de la CMNUCC sobre la generación de informes para la confección de comunicados nacionales de las Partes incluidas en el Anexo I de la Convención, parte I: Directrices para la generación de informes de la CMNUCC sobre los inventarios anuales), decisión 18/CP.8, revisión de las directrices aprobadas con las decisiones 3/CP.5, y 17/CP.8 aprobación de las directrices mejoradas para la confección de comunicaciones nacionales de las Partes no incluidas en el Anexo I de la Convención y decisiones subsiguientes 13/CP.9 y decisión 15/CP.10.
24
Los sectores a los cuales se calcula las emisiones de GEI se agrupan en: Energía; Procesos Industriales y uso de productos (IPPU); Agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra (AFOLU), Desechos y Otros. Estos se consideran sectores principales, es decir, grupos de procesos y fuentes de emisión relacionadas. Cada sector comprende categorías individuales (p. ej. transporte) y subcategorías (p. ej. automóviles). En definitiva, la cuantificación se hará a partir de las fuentes, categorías y subcategorías porque así están establecidas las metodologías del IPCC y calculadas las emisiones totales por sumatoria de cada una de ellas. Con el fin de evitar el cómputo doble de emisiones, cada sector se clasifica por actividades, si una actividad está clasificada dentro del sector energía no podrá ser considerada en el sector de agricultura, ni en ningún otro. Los GEI cuantificables por las directrices 2006 son: • • • • • • • • • • •
Dióxido de Carbono (CO2) Monóxido de Carbono (CO) Metano (CH4) Óxido Nitroso (N2O) Hidrofluorocarbonos (HFC) Perfluorocarbonos (PFC) Hexafluoruro De Azufre (SF6) Trifluoruro de Nitrógeno (NF3) Trifluorometil Pentafluoruro de Azufre (SF5CF3) CHF2OCF2OC2F4OCHF2, Éteres halogenados (P Ej., C4F9OC2H5, CHF2OCF2OCHF2) Y otros halocarbonos no cubiertos por el Protocolo de Montreal, incluidos CF3I, CH2Br2 CHCl3, CH3Cl, CH2Cl24
Sin embargo los gases que serán cuantificados en el presente estudio son dióxido de Carbono (CO2), Monóxido de Carbono (CO), Metano (CH4) y Óxido Nitroso (N2O). El método usado para estimar la emisión, se basa en el uso de factores de emisión, en donde los datos de una actividad se relacionan con los coeficientes que cuantifican las emisiones por actividad unitaria. Por lo tanto la ecuación básica es: ó Donde: Emisión = Cantidad de GEI emitida por una actividad AD = Datos de la actividad, del inglés activity data EF = Factores de emisión, del inglés emission factors
25
Además, se utiliza el potencial de calentamiento global (PCG4), para informar de las emisiones expresadas en dióxido de carbono equivalente (CO2 eq). En este estudio se usa los PCM a 100 años que se relaciona en la Tabla 1, donde se presentan las equivalencias respectivas. 2.2.1 Sector de energía. La estructura de este sector se muestra en la Figura 6, la cual contiene tres fuentes principales que son: Actividades de quema del combustible, emisiones fugitivas provenientes de la fabricación de combustibles y transporte, y almacenamiento de dióxido de carbono. El color verde indica que algunas de las actividades desarrolladas dentro del CDV del bioetanol obtenido de caña de azúcar, fueron clasificadas en la fuente de actividades de quema del combustible, en la categoría No especificado y finalmente identificadas algunas de ellas en combustión móvil y otras en combustión estacionaria. La categoría de emisiones fugitivas provenientes de la fabricación de combustibles, no se tuvo en cuenta, dado que esta categoría contempla la liberación intencional o no intencional de los GEI que pueda ocurrir durante la extracción, el procesamiento y la entrega de combustibles fósiles al punto de utilización final. De la misma manera la categoría de transporte y almacenamiento geológico de dióxido de carbono no se contempla por no tener relación con el CDV del bioetanol obtenido de caña de azúcar. Figura 6. Fuentes, categorías y subcategorías del sector energía.
Fuente: Información de Directrices del IPCC 2006 para los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero Vol. 2. Cap 1. adaptada por Las Autoras, 2009.
26
Los GEI que se tienen en cuenta en las directrices 2006 para la cuantificación de este sector son CO2, CH4 y N2O, finalmente, cualquiera sea la etapa o actividad dentro de la cual se identifique una emisión de GEI de esta fuente, deberá ser clasificada por la naturaleza de la combustión en móvil o estacionaria. Combustión estacionaria. La estimación de GEI de combustión estacionaria, es la generada por el consumo de combustibles en fuentes fijas. El cálculo de esta subcategoría se obtiene a partir de la siguiente ecuación: ECUACIÓN 1.1. EMISIONES DE GEI PROCEDENTES DE LA COMBUSTIÓN ESTACIONARIA (Nivel 1) 50
ó
,
Donde: EmisionesGEI =Emisiones de un GEI dado por tipo de combustible (kg GEI) Consumo combustiblecombustible = Cantidad de combustible quemado (Tj) Factor de emisiónGEI,combustible = Factor de emisión por defecto de un gas efecto invernadero dado por tipo de combustible (kg GEI/Tj). Combustión móvil. La estimación de las emisiones de GEI por el uso de combustibles en vehículos, se obtiene de la siguiente ecuación: ECUACIÓN 1.2. EMISIONES DEL TRANSPORTE TERRESTRE. (Nivel 1) 51 ó
Donde: EmisiónTransporte terrestre = Emisiones de GEI provenientes del transporte, kg GEI Consumo de combustibleact = Combustible vendido que se quema en la combustión del transporte terrestre por actividad, Tj. EF = Factor de emisión de GEI, kg/Tj. a = Tipo de combustible.
2.2.2 Sector de procesos industriales y uso de productos (IPPU). En este sector se abordan las emisiones de GEI provocadas por los procesos industriales, por el uso de GEI en los productos y por los usos no energéticos del carbono contenido en los combustibles fósiles. Dentro del análisis de este sector, se encuentran la industria de los minerales, la industria química, la industria de los metales, productos no energéticos de 50
Adaptado de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Energía Combustión Estacionaria, IPCC, 2006. Vol.2, Ecuación 2.1, p 2.11. 51
Adaptado de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Energía Combustión Estacionaria, IPCC, 2006. Vol.2, Ecuación3. 2.1, p 3.12.
27
combustibles, uso de solventes y la industria electrónica; cada una de ellas cuenta con procesos productivos específicos dentro de los cuales no se incluye el proceso industrial para la obtención de etanol, ni ningún proceso similar con el cual fuese comparable. Por esta razón, para efectos del presente estudio, no se tendrá en cuenta la metodología establecida para los procesos industriales y uso de los productos IPPU. A cambio las etapas de producción serán clasificadas dentro de los otros sectores, de manera que se cuantifiquen exhaustivamente las emisiones procedentes del proceso industrial del etanol obtenido de caña de azúcar. 2.2.3 Sector de agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra (AFOLU). En este sector se busca estimar los gases de efecto invernadero producidos por el uso y la gestión de la tierra, ya que los mismos tienen influencia en la diversidad de los procesos del ecosistema en el que se lleve a cabo la actividad. Los procesos que se ven alterados comúnmente son la fotosíntesis, la respiración, la descomposición, la nitrificación/desnitrificación, la fermentación entérica y la combustión. “Estos procesos incluyen transformaciones del carbono y del nitrógeno provocadas por los procesos biológicos (actividad de microorganismos, plantas y animales) y físicos (combustión, lixiviación y escurrimiento)” 52 . En el sector de agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra se contemplan las fuentes de generación de GEI que se muestran en la Figura 7 En la Figura 7, se ilustra la manera en la que la metodología del IPCC 2006 se adapta al CDV del bioetanol obtenido de caña en el sector de agricultura, ya que los recuadros verdes indican el aspecto a considerar para la cuantificación de los GEI del presente estudio. Las emisiones procedentes del ganado no se tienen en cuenta, ya que no guarda relación alguna con el CDV del bioetanol obtenido de caña. En la metodología se consideran seis categorías de uso de la tierra: Tierras forestales, Tierras de cultivo, Pastizales, Humedales, Asentamientos y Otras tierras. Cada una de ellas se subdivide en la tierra remanente en esa categoría (p. ej. tierras de cultivo que permanecen como tales) y la tierra que se convierte de una categoría a otra (p. ej. Tierras de cultivo que se convierte en pastizales). Para el caso de estudio la subcategoría que se adapta a las características de la zona es “tierras de cultivo que permanecen como tales”, dado que el cultivo de la caña de azúcar está establecido hace más de 20 años. Otras contemplaciones en este sector son las fuentes agregadas y fuentes de emisión de GEI a partir de la quema de biomasa, generación de dióxido de carbono (CO2) por la aplicación de urea y las emisiones directas e indirectas de N2O de los suelos gestionados.
52
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Orientación General / PANEL INTERGUBERNAMENTAL DE EXPERTOS SOBRE EL CAMBIO CLIMATICO.(IPCC). Vol.7, p.1.6.
28
Figura 7. Fuentes, categorías y subcategorías del sector agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra.
Fuente: Información de Directrices del IPCC 2006 para los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero Vol. 4. Cap 1. adaptada por Las Autoras, 2009. Emisiones de GEI a partir de la quema de biomasa. Allí se calculan las emisiones procedentes de la quema de biomasa, teniendo en cuenta que antes de la cosecha de la caña de azúcar se realiza una quema previa del cultivo llamada “quema precosecha”, para disminuir la parte foliar de la caña y facilitar el corte. Los gases cuantificados en la quema precosecha son: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y monóxido de carbono; los cuales se calculan con la siguiente ecuación: ECUACIÓN 2.1. ESTIMACIÓN DE EMISIONES DE GASES EFECTO INVERNADERO A CAUSA DEL FUEGO (Nivel 1) 53 10 Donde: Lfuego = Cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero provocada por el fuego, ton de GEI (CO₂, CH₄, N₂O y CO) A = Superficie quemada, ha. 53
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 2.27., p.2.48.
29
MB Cf Gef
= Masa de combustible disponible para la combustión, ton/ha. = Factor de combustión, sin dimensión. = Factor de emisión de gas efecto invernadero, gr GEI/kg de materia seca quemada.
Emisiones de CO2 por fertilización con urea. Las emisiones de dióxido de carbono generadas por la aplicación de urea como fertilizante a los suelos agrícolas se calculan con la siguiente ecuación. ECUACIÓN 2.4. EMISIONES DE CO2 POR LA APLICACIÓN DE UREA (Nivel 1) 54
ó
Donde: CO2-C = Emisiones de carbono por la aplicación de urea, ton C M = Cantidad de fertilizantes con urea, ton urea. EF = Factor de emisión, ton de carbono/ton de urea. La emisión resultante de la anterior ecuación debe convertirse a CO2, esto se logra al relacionar la cantidad de carbono presente en el compuesto, es decir, con la relación 44/12 para convertir las emisiones de CO2–C en CO2, donde 44 corresponde al peso del CO2 y el denominador 12 corresponde al peso del carbono.
44 12
ó
Emisiones directas de N2O de suelos gestionados. “El óxido nitroso es un producto intermedio gaseoso en la secuencia de reacción de la desnitrificación y un producto derivado de la nitrificación que se fuga de las células microbianas al suelo y, en última instancia, a la atmósfera” 55 . Uno de los controles de la emisión de N2O a la atmósfera, es la disponibilidad de nitrógeno inorgánico en el suelo, por lo tanto las emisiones de N2O se calculan con relación a los agregados netos de nitrógeno en suelos gestionados por el hombre. La con la siguiente ecuación se estima la emisión de N2O de suelos gestionados.
54
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.13, p.11.34. 55
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Orientación General / PANEL INTERGUBERNAMENTAL DE EXPERTOS SOBRE EL CAMBIO CLIMATICO.(IPCC). Vol.7, p.11.6.
30
ECUACIÓN 2.2. EMISIONES DIRECTAS DE N2O DE SUELOS GESTIONADOS (Nivel1) 56
Donde: N2ODirectas-N N2O-NN aportes N2O-NOS N2O-NPRP
= Emisiones directas de N2O–N producidas a partir de suelos gestionados, kg N2O–N. = Emisiones directas de N2O–N producidas por aportes de Nitrógeno a suelos gestionados, kg N2O–N. Se obtiene de la ecuación 2.2.1. = Emisiones directas de N2O–N de suelos orgánicos gestionados, kg N2O– N. = Emisiones directas de N2O–N de aportes de orina y estiércol a tierras de pastoreo, kg N2O–N.
Las emisiones producidas por aportes de nitrógeno a suelos gestionados (N2O-NN aportes), se calcula mediante la ecuación 2.2.1. ECUACIÓN 2.2.1. EMISIONES DIRECTAS DE N2O–N PRODUCIDAS POR APORTES DE NITRÓGENO A SUELOS GESTIONADOS (Nivel 1) 57 .
Donde: FSN = Cantidad de Nitrógeno aplicado a los suelos gestionados en forma de fertilizante sintético, kg N. FON = Cantidad de estiércol animal, compost, lodos cloacales y otros aportes de nitrógeno aplicados a los suelos, kg N. El cual se obtiene a partir de la Ecuación 2.2.1A FCR = Cantidad de Nitrógeno en los residuos agrícolas (aéreos y subterráneos), que se regresan a los suelos, kg N. El cual se obtiene a partir de la Ecuación 2.2.1B FSOM = Cantidad de Nitrógeno en suelos minerales que se mineraliza, relacionada con la pérdida de carbono de la materia orgánica del suelo como resultado de cambios en el uso o la gestión de la tierra, kg N. EF1 = Factor de emisión para emisiones de N₂O de aportes de Nitrógeno, kg N2O-N/kg aporte de Nitrógeno. EF1FR = Factor de emisión para emisiones de N₂O de aportes de Nitrógeno en plantaciones de arroz inundadas, kg N₂O--N /kg aporte de N.
56
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.1., p.11.7 57
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.1., p.11.7
31
El aporte de nitrógeno de estiércol animal, compost, lodos cloacales y otros (Vinaza), a los suelos FON se calcula con la siguiente ecuación: ECUACIÓN 2.2.1A NITRÓGENO DE AGREGADOS DE NITRÓGENO ORGÁNICO APLICADO A LOS SUELOS (Nivel 1) 58 Donde: = Cantidad total de fertilizante de nitrógeno orgánico aplicado a los suelos, excepto FON el de animales en pastoreo, kg N. FAM = Cantidad de nitrógeno de estiércol animal aplicado a los suelos, kg N. FSEW = Cantidad de nitrógeno total de barros cloacales que se aplica a los suelos, kg N. FCOMP = Cantidad anual del total de nitrógeno de compost aplicado a los suelos, kg N. FFOOA = Cantidad de otros abonos orgánicos utilizados como fertilizantes (desechos, guano, residuos de la fabricación de cerveza, etc.), kg N. La cantidad de nitrógeno en los residuos agrícolas FCR que se regresan al suelo, se calcula mediante la siguiente ecuación. ECUACIÓN 2.2.1B NITRÓGENO DE RESIDUOS AGRÍCOLAS Y RENOVACIÓN DE FORRAJES/PASTURAS. (Nivel 1) 59
.
1
Donde: FCR
= Cantidad de nitrógeno en los residuos agrícolas (aéreos y subterráneos), incluyendo los cultivos fijadores de N y de la renovación de forraje/pastura, devueltos a los suelos, kg N Cultivo(T) = Rendimiento de materia seca cosechada para el cultivo T, kg d.m./ha, esta variable se calcula según la ecuación 2.2.1.B1 . Supef(T) = Total de superficie cosechada del cultivo T, ha. = Superficie del cultivo T quemada, ha. Supef.quemada(T) Cf = Factor de combustión, adimensional. FracRemov (T) = Fracción de la superficie total dedicada al cultivo T que se renueva anualmente. “Para cultivos anuales, FracRenov = 1.” 60 = Relación entre la materia seca de los residuos aéreos y el rendimiento de RAG (T) cosecha del cultivo T (Cultivo(T)), kg d.m./kg d.m.. N AG (T) = Contenido de nitrógeno de los residuos aéreos del cultivo T, kg N/kg d.m.. 58
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.3., p.11.13. 59
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.6, p.11.15. 60
Ibíd., p.11.15.
32
Frac Remoc (T) RBG (T) NBG (T) T
= Fracción de los residuos aéreos del cultivo T que se extraen, como los destinados a alimentos, camas y construcción, kg N /kg cultivo-N. “Si no se dispone de datos respecto a FracRemoc, se supone que no hay remoción.” 61 = Relación entre residuos subterráneos y rendimiento de cosecha del cultivo T (Cultivo(T)), kg d.m./kg d.m.. = Contenido de nitrógeno de los residuos subterráneos del cultivo T, kg N /kg d.m.. = Tipo de cultivo.
El rendimiento de materia seca cosechada para el cultivo (Cultivo T), se obtiene de la siguiente ecuación. ECUACIÓN 2.2.1.B1 CORRECCIÓN DE PESO EN SECO DEL RENDIMIENTO DE COSECHA. (Nivel 1) 62 Donde: Cultivo (T) = Rendimiento de materia seca cosechada para el cultivo, kg d.m./ha. Rendimiento Fresco = Rendimiento en fresco cosechado para el cultivo, kg peso fresco/ha. SECO = Fracción de materia seca del cultivo, kg d.m./kg peso fresco. Emisiones indirectas de N2O de suelos gestionados. N2O tienen lugar por dos vías: •
•
Las emisiones indirectas de
La primera a partir de la volatilización de NH3 y NOx de suelos gestionados, de la combustión de combustible fósil y quemado de biomasa y la subsiguiente redeposición de estos gases y sus productos NH4+ (Ion amonio) y NO3- (Anión Nitrato) en suelos y aguas. La segunda se provoca después de la lixiviación y el escurrimiento del nitrógeno, principalmente como NO3- (Anión Nitrato), de suelos gestionados.
Las emisiones indirectas de oxido nitroso por la volatilización de nitrógeno, se calculan con la ecuación 2.3.1.
61
Ibíd., p.11.15.
62
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.7, p.11.16.
33
ECUACIÓN 2.3.1. N2O PRODUCIDO POR DEPOSICIÓN ATMOSFÉRICA DE N VOLATILIZADO DE SUELOS GESTIONADOS (Nivel 1) 63
Donde: = Cantidad de N2O–N producida por deposición atmosférica de nitrógeno N2O(ATD)-N volatilizado de suelos gestionados, kg N2O–N = Cantidad de nitrógeno de fertilizante sintético aplicado a los suelos, kg N. FSN FracGASF = Fracción de nitrógeno de fertilizantes sintéticos que se volatiliza como NH3 y NOx, kg N volatilizado/kg N aplicado. FON = Cantidad de estiércol animal gestionado, compost, lodos cloacales y otros (vinaza) agregados de nitrógeno orgánico aplicado a los suelos, kg N. Obtenido a partir de la ecuación 2.2.1A. FPRP = Cantidad de nitrógeno de la orina y el estiércol depositada por animales de pastoreo en pasturas, prados y praderas, kg N. FracGASM = Fracción de materiales fertilizantes de nitrógeno orgánico (FON) que se volatiliza como NH3 y NOx, kg N volatilizado/kg N aplicado. EF4 = Factor de emisión correspondiente a las emisiones de N2O de la deposición atmosférica de nitrógeno en los suelos y en las superficies del agua kg N–N2O /kg NH3–N + NOx–N volatilizado. Las emisiones generadas por la lixiviación o escurrimiento del nitrógeno contenido en los fertilizantes, se calcula mediante la ecuación 2.3.2. ECUACIÓN 2.3.2. EMISIONES DE N2O POR LIXIVIACIÓN/ESCURRIMIENTO DE NITRÓGENO DE LOS SUELOS GESTIONADOS (Nivel 1) 64
Ó
Donde: N2O(L)-N FSN FON
= Cantidad de N2O–N producida por lixiviación y escurrimiento de agregados de nitrógeno a suelos gestionados, Kg N2O–N = Cantidad de nitrógeno de fertilizante sintético aplicado a los suelos, kg N. = Cantidad de estiércol animal gestionado, compost, lodos cloacales y otros (vinaza) agregados de nitrógeno orgánico aplicado a los suelos, kg N. Obtenido de la ecuación 2.2.1A.
63
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.9, p.11.23. 64
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.10, p.11.24.
34
FPRP
= Cantidad de nitrógeno de la orina y el estiércol depositada por animales de pastoreo en pasturas, prados y praderas, kg N. FCR = Cantidad de nitrógeno en los residuos agrícolas (aéreos y subterráneos), incluyendo los cultivos fijadores de N y de la renovación de forraje/pastura, devueltos a los suelos, kg N. Obtenido de la ecuación 2.2.1B. FSOM = Cantidad de Nitrógeno en suelos minerales que se mineraliza, relacionada con la pérdida de Carbono del suelo de la materia orgánica presente en él, como resultado de cambios en el uso o la gestión de la tierra, kg N. FracLIXIVIACIÓN-(H) = Fracción de todo el nitrógeno agregado mineralizado en suelos gestionados, kg N/kg agregados de N. EF5 = Factor de emisión para emisiones de N2O por lixiviación y escurrimiento de nitrógeno, kg N2O –N/kg N por lixiviación y escurrido. Para las emisiones directas e indirectas, una vez obtenido el valor de la emisión en unidades de Kg N2O–N, es necesario realizar la conversión a emisiones de N2O. Para efectos de esta metodología 65 se realiza empleando la siguiente ecuación: 44 28
2.2.4 Sector Desechos. En este sector se tienen en cuenta las emisiones de dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O) procedentes de la eliminación de desechos sólidos, el tratamiento biológico de los desechos sólidos, incineración y quema abierta de desechos y tratamiento y eliminación de aguas residuales, la Figura 8 muestra las fuentes y categorías de este sector, donde los recuadros de color verde se ajustan al CDV del bioetanol obtenido de caña de azúcar.
65
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, p.11.11.
35
Figura 8. Fuentes y categorías del sector desechos.
Fuente: Información de Directrices del IPCC 2006 para los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero Vol. 5. Cap 1. adaptada por Las Autoras, 2009. Tratamiento biológico de los desechos sólidos. El tratamiento biológico de los residuos se considera como la fabricación de abono orgánico (compost) y la digestión anaeróbica de los desechos orgánicos, los cuales poseen múltiples ventajas como reducción de volumen, estabilización de desechos, destrucción de patógenos y en algunos casos producción de biogás para utilización energética. Los productos finales del tratamiento biológico pueden reciclarse, como fertilizantes y abono de suelos, o eliminarse. Las ecuaciones que estiman las emisiones de metano y oxido nitroso en esta categoría se muestran a continuación. ECUACIÓN 3.1.1. EMISIONES DE CH4 PROVENIENTES DEL TRATAMIENTO BIOLOGICO (Nivel 1) 66 .
10
Donde: 66
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 4.1, p.4.5.
36
Emisiones de CH4 Mi EFi R i
= Total de las emisiones de CH4 en el tratamiento biológico, Gg de CH4 = Masa de los desechos orgánicos sometidos al tratamiento biológico i, Gg = Factor de emisión del tratamiento i, gr de CH4/kg de desechos tratados. = Cantidad total de CH4 recuperado, Gg de CH4. = Tipo de desecho sometido a tratamiento biológico.
ECUACIÓN 3.1.2. EMISIONES DE N2O PROVENIENTES DEL TRATAMIENTO BIOLOGICO (Nivel 1) 67 .
10
Donde: Emisiones de N2O Mi EFi i
= Total de las emisiones de N2O en el tratamiento biológico, Gg de N2O = Masa de los desechos orgánicos sometidos al tratamiento biológico i, Gg. = Factor de emisión del tratamiento i, gr de N2O /kg de desechos tratados. = Tipo de desecho sometido a tratamiento biológico.
Tratamiento y eliminación de aguas residuales. La metodología para inventarios nacionales del IPCC 2006 considera dentro de esta fuente dos categorías, la primera se relaciona con la eliminación y tratamiento de aguas residuales domésticas y la segunda es la eliminación y tratamiento de aguas residuales industriales. Las aguas residuales pueden ser una fuente de metano (CH4) cuando se las trata o elimina en medio anaeróbico, con la siguiente ecuación se estima esta emisión. ECUACIÓN 3.2. EMISIONES TOTALES DE CH4 PROCEDENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (Nivel 1) 68
Donde: Emisiones de CH4
= Emisiones de CH4 producidas por el tratamiento y eliminación de aguas residuales, kg. de CH4 TOWi = Total de la materia orgánica degradable contenida en las aguas residuales del sistema de tratamiento i, kg. de DQO. Se obtiene de la Ecuación 3.2.1. i = Sistema de tratamiento. Si = Componente orgánico separado como lodo estabilizado, kg. de DQO. 67
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 4.2, p.4.6. 68
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 6.4, p.6.22.
37
EFi Ri
= Factor de emisión para el sistema de tratamiento i, kg de CH4/kg. de DQO para la vía o sistema(s) de tratamiento y/o eliminación utilizado(s). Se calcula con la Ecuación 3.2.2. = Cantidad de CH4 recuperado, Kg. de CH4.
La materia orgánica degradable total TOW, se calcula con la siguiente ecuación. ECUACIÓN 3.2.1. MATERIA ORGÁNICA DEGRADABLE EN LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (Nivel 1) 69 .
Donde: TOWi = Total de la materia orgánica degradable en las aguas residuales del sistema de tratamiento i, kg. DQO. i = Sistema de tratamiento. P = Producto industrial total, ton. El alcohol carburante producido es 598199,742 L de etanol (ver actividad de distribución en combustión móvil). Wi = Aguas residuales generadas, m3/ton producto. DQOi = Requerimiento químico de oxígeno del afluente kg. DQO/m3. El factor de emisión para el sistema de tratamiento EF se calcula con la ecuación 3.2.2. ECUACIÓN 3.2.2. FACTOR DE EMISION DE CH4 PARA LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Donde: EFj = Factor de emisión para cada vía o sistema de tratamiento y/o eliminación, kg. de CH4/Kg. de DQO. j = Cada vía o sistema de tratamiento y/o eliminación Bo = Capacidad máxima de producción de CH4, kg. de CH4/kg. de DQO. MCFj = Factor de corrección para el metano (fracción). Para el presente estudio se desarrolla un libro de excel llamado “Cálculo de GEI en el ciclo de vida del etanol obtenido de caña de azúcar” (Ver anexo D), en donde se introdujeron las ecuaciones de la metodología del IPCC 2006 adaptadas al ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, disgregando cada una de ellas en sus variables, con el fin de hacer más accesible la metodología, puesto que se introducen datos de entrada de las actividades y factores de emisión para obtener el valor de la 69
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 6.6, p.6.24.
38
emisión en cada sector y para el ciclo de vida en su totalidad. Se diseñó también un instructivo de uso de dicho libro de excel (Ver anexo E), en caso de realizar nuevos estudios del biocombustible con otras fuentes de información. A continuación se relacionan las variables de entrada necesarias para la estimación de los GEI emitidos en el CDV del bioetanol obtenido de caña de azúcar 2.3
IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES DE ENTRADA
Con el fin de realizar la recopilación de la información necesaria para el desarrollo de la metodología es necesario identificar en cada sector los datos a introducir, para realizar el cálculo de la emisión GEI en cada fuente generadora.
39
ENERGÍA
Tabla 6. Variables de entrada para el sector energía en el CDV del bioetanol. CATEGORIA, SECTOR SUBCATEGORIA VARIABLE DE ENTRADA DESCRIPCIÓN UNIDADES O FUENTE Para cada fuente de emisión estacionaria el tipo de combustible TIPO COMBUSTIBLE Adimensional usado. CONSUMO DE Cantidad de combustible usado en el CDV del bioetanol por la Kilogramos COMBUSTIBLE fuente estacionaria. Valor calórico neto del combustible usado por la fuente VCN Tj /kg estacionaria COMBUSTIÓN ESTACIONARIA Factor de emisión para el dióxido de carbono por tipo de EF CO2 Kg/TJ combustible usado en la fuente estacionaria. Factor de emisión para el metano por tipo de combustible usado en EF CH4 Kg/TJ la fuente estacionaria. Factor de emisión para el oxido nitroso por tipo de combustible EF N2O Kg/TJ usado en la fuente estacionaria. TIPO COMBUSTIBLE Para cada fuente de emisión móvil el tipo de combustible usado. Adimensional CONSUMO DE Cantidad de combustible usado en el CDV del bioetanol por la Kilogramos COMBUSTIBLE fuente móvil. VCN Valor calórico neto del combustible usado por la fuente móvil Tj /kg COMBUSTIÓN Factor de emisión para el dióxido de carbono por tipo de EF CO2 Kg/TJ MOVIL combustible usado en la fuente móvil. Factor de emisión para el metano por tipo de combustible usado en EF CH4 Kg/TJ la fuente móvil. Factor de emisión para el oxido nitroso por tipo de combustible EF N2O Kg/TJ usado en la fuente móvil. Fuente: Las Autoras.
40
Tabla 7. Variables de entrada para el sector agricultura en el CDV del bioetanol. CATEGORIA, VARIABLE DE SECTOR SUBCATEGORIA DESCRIPCIÓN ENTRADA O FUENTE Área
Área de estudio de cultivo de caña de azúcar.
ha
M
Masa seca del cultivo que se quema en la quema precosecha del cultivo
ton /ha
Cf
Coeficiente de combustión de la caña de azúcar
B
EMISIONES DE GEI A PARTIR DE LA QUEMA DE BIOMASA
G
AGRICULTURA
ef CO2
G G G
ef CO
ef CH4
ef N2O
FSN FSOM EMISIONES DIRECTAS E INDIRECTAS DE N2O
UNIDADES
Factor de emisión para el dióxido de carbono por cantidad de materia seca quemada. Factor de emisión para el monóxido de carbono por cantidad de materia seca quemada. Factor de emisión para el metano por cantidad de materia seca quemada. Factor de emisión para el óxido nitroso por cantidad de materia seca quemada. Cantidad de nitrógeno aplicado a los suelos gestionados en forma de fertilizante sintético Cantidad de nitrógeno en suelos minerales que se mineraliza, relacionada con la pérdida de carbono de la materia orgánica del suelo como resultado de cambios en el uso o la gestión de la tierra
EF1
Factor de emisión para emisiones de N₂O de aportes de nitrógeno
FOOA
Cantidad de otros abonos orgánicos utilizados como fertilizantes (desechos, guano, residuos de la fabricación de cerveza, etc.) Superficie total cosechada del cultivo de caña de azúcar
Superf(T) Superf quemada (T) Cf FracRenov (T)
Adimensional g CO2/Kg de materia seca quemada g CO/Kg de materia seca quemada g CH4/Kg de materia seca quemada g N2O/Kg de materia seca quemada kg N kg N kg N2O‐N / kg aporte de N kg N ha
Superficie total quemada del cultivo de caña de azúcar
ha
Factor de combustión del cultivo de caña de azúcar Fracción de la superficie total del cultivo de caña de azúcar que se renueva anualmente.
adimensional
41
Adimensional
CATEGORIA, SECTOR SUBCATEGORIA O FUENTE
VARIABLE DE ENTRADA RAG(T) NAG(T) FracRemoc(T) RBG(T)
AGRICULTURA
NBG(T) EMISIONES DIRECTAS E INDIRECTAS DE N2O
Rendim_Fresco SECO FracGASF FracGASM EF4 FracLIXIVIACIÓN‐(H) EF5
EMISIONES DE CO2 POR APLICACIÓN DE UREA Fuente: Las Autoras.
M EF
DESCRIPCIÓN
UNIDADES
Relación entre la materia seca de los residuos aéreos y el rendimiento de cosecha del cultivo de caña de azúcar. Contenido de nitrógeno de los residuos aéreos del cultivo Fracción de los residuos aéreos del cultivo que se extraen. Relación entre residuos subterráneos y rendimiento de cosecha del cultivo de caña de azúcar. Contenido de nitrógeno de los residuos subterráneos del cultivo de caña azúcar. Rendimiento en fresco cosechado para el cultivo de caña de azúcar Fracción de materia seca del cultivo de caña de azúcar cosechado Fracción de nitrógeno de fertilizantes sintéticos que se volatiliza como NH3 y NOx Fracción de materiales fertilizantes de nitrógeno orgánico (FON) que se volatiliza como NH3 y NOx Factor de emisión correspondiente a las emisiones de N2O de la deposición atmosférica de nitrógeno en los suelos y en las superficies del agua kg N–N2O /kg NH3–N + NOx–N volatilizado Fracción de todo el nitrógeno agregado mineralizado en suelos gestionados, kg N/kg agregados de N. Factor de emisión para emisiones de N2O por lixiviación y escurrimiento de nitrógeno, kg N2O –N/kg N por lixiviación y escurrido. Cantidad urea aplicada en el área de estudio..
kg peso fresco / ha kg d.m. /kg peso fresco kg N volatilizado / kg de N aplicado kg N volatilizado / kg de N aplicado o depositado
Factor de emisión de dióxido de carbono en la aplicación de urea al suelo
ton CO2‐C /ton Urea
42
kg d.m./kg d.m. kg N /kg d.m. kg N / kg cultivo‐N kg d.m. / kg d.m. kg N /kg d.m.
kg N–N2O / (kg NH3–N + NOx–N volatilizado) Kg N / kg de agregados de N kg N2O–N / (kg N por lixiviación y escurrido) ton urea
DESECHOS
Tabla 8. Variables de entrada para el sector desechos en el CDV del bioetanol. CATEGORIA, VARIABLE DE SECTOR SUBCATEGORIA DESCRIPCIÓN ENTRADA O FUENTE Total de la materia orgánica degradable contenida en las aguas TOW residuales del sistema de tratamiento Componente orgánico separado como lodo estabilizado, kg. de Si DQO Factor de emisión para el sistema de tratamiento para la vía o EFi sistema(s) de tratamiento y/o eliminación utilizado(s). TRATAMIENTO Ri Cantidad de CH4 recuperado DE AGUAS Pi Producto industrial producido RESIDUALES Aguas residuales generadas por cada unidad de producto Wi industrial producido DQOi Requerimiento químico de oxígeno del afluente Capacidad máxima de producción de CH4 en el sistema de B0 tratamiento MCF Factor de corrección para el metano Masa de los desechos orgánicos sometidos al tratamiento M i biológico TRATAMIENTO BIOLOGICO DE DESECHOS
EF
Factor de emisión del metano para tratamiento biológico
R
Cantidad total de CH4 recuperado
i
EF i
Factor de emisión del óxido nitroso para tratamiento
Fuente: Las Autoras.
43
UNIDADES kg. de DQO kg. de DQO kg. de CH4/kg. de DQO kg. de CH4 L 3
m /L 3
kg. de DQO/m kg. de CH4/kg. de DQO Gg g de CH /kg. de 4
desechos tratados Gg de CH 4
g de N O/kg. de 2
desechos tratados
3 3.1
APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA
LÍMITES DEL ANÁLISIS DEL CDV DEL BIOETANOL
Al cuantificar los GEI del ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, es necesario establecer los límites del análisis, como lo muestra la Figura 9, en donde algunas entradas del proceso, son consideradas de manera aislada al no contemplar su fabricación, como es el caso de los fertilizantes, combustibles fósiles y demás insumos que intervienen, tampoco son consideradas las actividades humanas que generan GEI expresadas como mano de obra. Figura 9. Límites del análisis del ciclo de vida (ACV) del etanol obtenido de caña de azúcar.
3.2
IDENTIFICACIÓN DE FUENTES DE EMISIÓN
Los GEI generados en el ciclo de vida del bioetanol que se tendrán en cuenta en el presente estudio son: dióxido de carbono, óxido nitroso, metano y monóxido de carbono, el diagrama de bloques en la Figura 10, muestra las entradas del ciclo de vida y las salidas que se tienen en cuenta en la cuantificación de GEI. El superíndice “a” en la salida de la etapa de cosecha, indica que el dióxido de carbono se cuantifica por la emisión de vehículos que intervienen en la misma, el superíndice “b” las emisiones en la salida del desfibrado que se atribuyen a la generación de aguas residuales, el superíndice “c” indica el bagazo resultante de la molienda que posteriormente generará GEI al hacer combustión en las calderas, el superíndice “d”, hace referencia a los GEI generados por el compostaje y almacenamiento de vinaza y finalmente el superíndice “e” los GEI procedentes de las aguas residuales compuestas por flegmazas.
44
Figura 10. Diagrama de bloques en términos de GEI del ciclo de vida del bioetanol.
45
3.3
CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES DE EMISIÓN
Con el fin de adaptar la metodología de estimación al CDV del bioetanol producido a partir de caña de azúcar, es necesario clasificar las actividades desarrolladas en el mismo, en cada uno de los sectores que conforman la estructura de la metodología, como lo muestra la Figura 11. Figura 11. Aplicación de la metodología del IPCC 2006 al CDV del bioetanol obtenido de caña de azúcar.
Fuente: Las Autoras En la etapa de cultivo y cosecha se identifican las actividades de aplicación de fertilizantes, incorporación de residuos agrícolas al suelo y quema precosecha del cultivo dentro del sector agricultura. En el sector energía se identifican dos fuentes de emisión principales, que corresponden al uso de combustibles en las actividades desarrolladas por vehículos agrícolas (arado, subsolado, rastrillado, surcado, aplicación de fertilizantes, alce y transporte) y el funcionamiento del módulo de riego. En la etapa del proceso industrial se identifican las calderas como fuente de emisión estacionaria, dentro del sector energía y en el sector desechos el tratamiento de aguas 46
residuales y el tratamiento biológico de desechos. Finalmente en esta etapa se identifica la generación de dióxido de carbono en el proceso de fermentación, como una actividad aislada considerada como otro sector. En la etapa de distribución se identifican en el sector energía, las actividades de transporte del bioetanol en camiones cisterna desde el ingenio hasta las estaciones de servicio. En este sector también se identifica la actividad de consumo de bioetanol por los usuarios finales. 3.4
ELECCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO Y RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN
El caso de estudio del presente trabajo es el Ingenio Providencia S.A., puesto que esta empresa brindó su apoyo, proporcionó los datos requeridos para su desarrollo y permitió el ingreso a las instalaciones para la realización de visitas en cada una de las dependencias que intervienen en el estudio. Ingenio Providencia S.A. es una empresa agroindustrial, dedicada principalmente a la producción de caña de azúcar y a su transformación en azúcar y alcohol carburante, está ubicada en el Municipio de Cerrito en el Departamento del Valle del Cauca-Colombia, a 40 km de Cali, capital del departamento del Valle del Cauca y a 12 km del municipio de Palmira. Se encuentra a 987 m.s.n.m y con una temperatura media de 23 grados centígrados 70 . Posee un area de influencia de mas de 25 mil hectareas cultivadas en caña de azucar y una capacidad de molienda superior a 8.500 toneladas de caña por día, produce más de 225.000 toneladas métricas de azúcar por año y más de 76 millones de litros de alcohol 71 . 3.4.1 Área de estudio. Debido a las facilidades para obtener información y a requerimientos de la metodología el área de estudio de cultivo de caña de azúcar se selecciona teniendo en cuenta los siguientes requisitos: •
•
•
Localizada en el valle geográfico del Rio Cauca: Debido que en esa zona se concentra la industria azucarera de Colombia y el área más extensa cultivada con caña de azúcar; además por el desarrollo investigativo, técnico y político del gremio. Variedad de la caña de azúcar: Considerando que cada variedad de caña difiere en características agronómicas, morfológicas y de productividad se hace necesario seleccionar un área de cultivo que mantenga la misma variedad de caña en toda su extensión. Uso del suelo: El uso del suelo deberá haber sido destinado al cultivo de caña de azúcar, durante por lo menos 20 años.
70
GOBERNACION DEL VALLE DEL CAUCA. Municipio El Cerrito, Alcaldía Municipal de El Cerrito Valle del Cauca, [citado el 20 de Junio 2009], disponible en internet en: http://www.valledelcauca.gov.co/publicaciones.php?id=23 71
Ibíd.,
47
•
Manejo del cultivo: Contar con información de uso de fertilizantes, sistemas de riego, cantidad de residuos generados, quema y cosecha.
El área de cultivo fue seleccionada con el apoyo de la Dirección de Investigaciones en Campo de la Superintendencia de Campo del Ingenio Providencia S.A., teniendo en cuenta los requisitos anteriormente mencionados, se eligen los lotes (suertes) 100 a 104 de la Hacienda la Aurora. Éstas suman un área de 207 hectáreas que se caracterizan por tener un manejo agrícola diferenciado y poseer diferentes variedades de caña de azúcar, es por esto que se selecciona la variedad más representativa en términos de área entre las suertes mencionadas. (Ver Tabla 8Tabla 9) Tabla 9. Área y variedad de las suertes (100 a 104) de la Hacienda la Aurora. SUERTE ÁREA (ha) VARIEDAD 100A
17,83
CC 934418
100Z
33,1
V 933895
101
11,91
CC 85‐92
101A
13,57
CC 85‐92
102
42
CC 992461
102A
4,15
CC 84‐75
102B
39,9
V 71‐51
102C
4,23
CC 93744
103A
25,66
CC 85‐92
104A
3,73
V 71‐51
104B
11,86
CC 85‐92
TOTAL (ha)
207,91
Fuente: Superintendencia de Campo Ingenio Providencia S.A. Como lo muestra la Tabla 9 la variedad más representativa es la CC 85-92, presente en las suertes 101, 101A, 103 y 104B, con un área total de 63 ha, siendo esta el área de estudio seleccionada para el presente estudio. Variedad CC 85-92. Esta variedad surge como resultado del programa de mejoramiento genético de CENICAÑA en el año 1985, después de 92 cruces genéticos, “fue la más sembrada y la más productiva de todas la variedades cosechadas en el valle geográfico del rio Cauca” 72 en el año 2000, con un valor de 125,3 toneladas de caña cortada por
72
VICTORIA K., Jorge.; AMAYA E., Álvaro.; RANGEL J., Hernando.; VIVEROS V., Carlos.; CASSALETT D., Clímaco.; CARBONELL G., Javier.; QUINTERO D., Rafael.; CRUZ V., Ricardo.; ISAACS E., Camilo.; LARRAHONDO A., Jesús.; MORENO G., Carlos.; PALMA Z., Alberto.; POSADA C., Claudia.; VILLEGAS T., Fernando y GOMEZ L., Luis, Características agronómicas y de productividad de la variedad Cenicaña Colombia (CC) 85-92. Cali, CENICAÑA, 2002. p.3.
48
hectárea (TCH) 73 y una edad optima de cosecha de 13.3 meses o menos dependiendo de las condiciones de suelo y manejo agrícola 74 . La variedad CC 85-92 tiene crecimiento ligeramente inclinado o decumbente, presentando un alto macollamiento. “El tallo tiene entrenudos a la altura de su tercio medio, miden en promedio 12 cm de alto y un diámetro en promedio de 32 mm” 75 y un contenido de materia seca de 30,2 % 76 , su textura es lisa con ausencia de yema y escasa presencia de cera, la hoja tiene ápice curvo y un ancho de lámina foliar de 7 cm, la copa foliar presenta un volumen denso y su tonalidad es verde oscura. Esta variedad en su desarrollo produce 17 toneladas de hojas y 10 toneladas de yaguas por cada 100 toneladas de tallos cosechados, la producción de partes de la planta y la extracción de micronutrientes y macronutrientes por cada 100 toneladas de tallos de caña de la variedad CC 85-92 cosechados se muestra en la Tabla 10. Tabla 10. Producción de partes de la caña variedad CC 85-92, y extracción de nutrimentos.
VARIABLES
PARTES DE LA PLANTA TALLOS HOJAS YAGUAS
Peso húmedo (ton) 100 17 10 Humedad (%) 67 47 52 Nitrógeno (kg) 67 30 14 Fosforo (kg) 18 3 3 Potasio (kg) 117 54 28 Calcio (kg) 19 29 12 Magnesio (kg) 26 16 10 Hierro (g) 2503 3229 1700 Manganeso (g) 576 1131 448 Cinc (g) 81 25 13 Cobre (g) 346 113 47 Fuente: Características agronómicas y de productividad de la variedad Cenicaña Colombia (CC) 85-92. Cali, Cenicaña, 2002. 77
73
CARBONELL, J.; AMAYA, A.; ORTIZ, B; TORRES, J.; QUINTERO, R. e ISAACS, C. Zonificación agroecológica para el 73 cultivo de la caña de azúcar en el valle del rio Cauca. Tercera aproximación. Cali, CENICAÑA, 2001, o.39-40. Citado por: VICTORIA K., Jorge. et al, 2002, p.30. 74
VICTORIA K., Jorge., Op cit., p.50.
75
Ibid., p.4.
76
ISAACS ECHEVERRY, C.H.; URIBE JARAMILLO, P.T. y RAIGOSA VARELA, J.P. Informe técnico de validación comercial de tecnologías en fincas piloto. Variedad CC 85-92. Documento de trabajo 509. Cali, CENTRO DE INVESTIGACION DE CAÑA DE AZUCAR DE COLOMBIA –CENICAÑA., 2001, p.4. 77
VICTORIA K., Jorge.; et la, Op cit., p.9.
49
Los residuos aéreos (hojas, cogollo, chulquines, tallos secos y materia extraña) generados por el cultivo después de la cosecha manual de caña quemada son aproximadamente 13 toneladas por hectárea; 10 toneladas corresponden a hojas, cogollo, chulquines y tallos secos aproximadamente 78 y el 2,32 % del total de caña cosechada (2,90 Ton) se considera como materia extraña 79 , con una humedad del 80 % según expertos 80 y 0,044% de nitrógeno en base húmeda 81 . Los residuos subterráneos, es decir las raíces, son aproximadamente 15,9 toneladas por hectárea, con porcentaje de materia seca de 32,69 % y 0,43% de contenido de nitrógeno. 82 3.4.2 Etapa de cultivo. La información del manejo agrícola del área de estudio, fue proporcionada por el INGENIO PROVIDENCIA S.A. y se presenta en resumen en la Tabla 11, en donde se muestra la fertilización de las suertes, las prácticas de riego y las labores agrícolas para la cosecha 2008. El sistema de riego instalado en el área de estudio es de tipo superficial por surcos, en la hacienda la Aurora se realiza de forma continua (surco continuo), en donde se riega agua a la totalidad de los surcos o de forma alterna (surco alterno) vertiendo agua alternando surcos, con el fin de disminuir costos y hacer más eficiente el sistema.
78
Ibíd., p.29.
79
Ibíd., p.28.
80
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero agrícola. Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009.
81
VICTORIA K., Jorge., Op cit., p.9.
82
NAYAMUTH, A.R.H., y CHEEROO-NAYAMUTH, B.F., Contribution Of The Sugarcane Industry In Alleviating Greenhouse Gas Emissions, Mauritius Sugar Industry Research Institute, Le Reduit, Mauritius, 2005, p.58.
50
Tabla 11.Manejo agrícola del área de estudio Ingenio Providencia S.A. HACIENDA LA AURORA SUERTES 101, 101A,103A y 104B CON VARIEDAD CC 85‐92 ‐ COSECHA 2008 SUERTE
FERTILIZACION
101 (11,91ha)
101A (13,57ha)
103A (25,63ha)
104B (11,86ha)
FERTILIZANTE (dosis por ha)
RIEGO
FECHA
TIPO
SURCO
LABORES
FECHA VOL (m3/ha) SIEMBRA
PROVIN
15/11/07 MECÁNICO CONTINUO 01/01/08
1170
FERTILIZA 300 kg
20/12/07 MECÁNICO CONTINUO 02/04/08
1,15
MEJIMENORES 20 kg
MECÁNICO ALTERNO
22/08/08
1,14
PROVIFOLE 5 Litros
01/05/08 MECÁNICO ALTERNO
26/09/08
1,13
PROVIFOLE 5 Litros
11/08/08 MECÁNICO
PROVIM
19/04/07 MECÁNICO ALTERNO
02/07/07
1,21
UREA 200 kg
24/05/07 MECÁNICO ALTERNO
05/08/07
1,2
MICROORGANISMOS 1,6 L 20/06/07 MANUAL
ALTERNO
16/09/07
1,19
ALTERNO
07/10/07
1,18
ALTERNO
28/01/08
1,17
PROVIN
01/11/07 MECÁNICO ALTERNO
19/03/08
1,19
UREA 300 kg
06/12/07 MECÁNICO ALTERNO
26/03/08
1,18
MEJIMENORES 25 kg
10/03/08 MECÁNICO ALTERNO
11/08/08
1,18
PROVIFOLE 5 Litros
01/05/08 MECÁNICO ALTERNO
16/09/08
1,17
PROVIN
25/10/07 MECÁNICO CONTINUO 28/09/08
1,19
UREA 300 kg
06/12/07 MECÁNICO ALTERNO
01/10/08
1,17
MEJIMENORES 25 kg
06/12/07 MECÁNICO ALTERNO
29/10/08
1,16
PROVIFOLE 5 Litros
01/05/08 MECÁNICO ALTERNO
14/11/08
1,15
PROVIFOLE 5 Litros
11/10/08 MECÁNICO ALTERNO
12/12/08
1,15
Fuente: Dirección de Investigaciones en Campo Ingenio Providencia S.A 51
RESIEMBRA
REPLANTE
MADURANTE APORQUE
29/10/07
Macollos:1500 Macollos: 3000 Área: 3ha Área: 5ha Fecha: 03/01/08 Fecha: 04/01/08
1L/ha
No se realizó
03/03/07
Macollos:6400 Macollos: 1800 Área: 10ha Área:3.5ha Fecha: 26/04/07 Fecha: 07/05/07
1L/ha
No se realizó
18/10/07
Macollos:2140 Área: 11ha Fecha: 29/11/07
No se realizó
15/10/07
Macollos:1900 Área: 5.8ha Fecha: 26/11/07
No se realizó
1L/ha
300g/ha
06/12/07
13/12/07
Fertilización del cultivo: La fertilización del área de estudio se realiza mecánicamente, mediante tractores y tolvas abonadoras que permiten incorporar el fertilizante evitando su volatilización; el Ingenio Providencia S.A. realiza la aplicación de fertilizantes de acuerdo con las recomendaciones del laboratorio de campo que se basan en el análisis de suelos. En la cosecha 2008 del área de estudio, se requirió el uso de fertilizantes descritos en laTabla 12. Tabla 12. Fertilizantes requeridos en las suertes 101, 101A, 103A y 104B en la Hacienda la Aurora - Cosecha 2008. SUERTE FERTILIZANTE (unidad) DOSIS por ha APLIACCIÓN PROVIN (9000+50) 101 (11,91 ha)
101A (13,57 ha)
50
MECANICO MECANICO
MEJIMENORES (kg)
20
MECANICO
PROVIFOLE (L)
5
MECANICO
PROVIFOLE (L)
5
MECANICO
VINAZA (L)
442,1
MECANICO
UREA (kg)
150
MECANICO
UREA (kg)
200
MECANICO
MICROORGANISMOS (L)
1,6
MANUAL
VINAZA (L)
350,7
MECANICO
UREA (kg)
50
MECANICO
MICROORGANISMOS (L)
20
MECANICO
UREA (kg)
300
MECANICO
MEJIMENORES (kg)
25
MECANICO
PROVIFOLE (L)
5
MECANICO
VINAZA (L)
758,8
MECANICO
UREA (kg)
50
MECANICO
MICROORGANISMOS (L)
20
MECANICO
UREA (kg)
300
MECANICO
MEJIMENORES (kg)
25
MECANICO
PROVIFOLE (L)
5
MECANICO
PROVIFOLE (L)
5
MECANICO
PROVIN (9000+50) 104B (11,86 ha)
MECANICO
300
PROVIM (6000+150)
UREA (kg)
755,6
FERTILIZA (kg)
PROVIN (9000+50) 103A (25,63 ha)
VINAZA (L)
Fuente: Dirección de Investigaciones en Campo Ingenio Providencia S.A.
El fertilizante PROVIN es elaborado por el ingenio, y consta de vinaza producida en la destilería mezclada con urea como fuente de nitrógeno, se elabora de acuerdo al análisis
52
de suelos de cada suerte. Según HERRADA y BESOSA 83 , la vinaza producida en la destilería del Ingenio Providencia con 22% de sólidos totales, tiene un contenido de nitrógeno de 0.17 kg/m3, 0,09 kg/m3 de P2O5 y 1,16 kg/m3 de K2O, además un contenido de materia orgánica de 5.93 %, estas características hacen de la vinaza un fertilizante orgánico que “incrementa la productividad del cultivo en 6 toneladas de caña por hectárea cortada” 84 . PROVIFOLE es un fertilizante foliar especialmente diseñado, para recuperación de cañas con más de 7 meses y como complemento a la fertilización edáfica, que contiene 160 g de nitrógeno total por litro 85 . Los demás fertilizantes (MEJIMENORES y MICROORGANISMOS) no contienen nitrógeno, están compuestos por micronutrientes y microorganismos que contribuyen al buen crecimiento de la planta. La Tabla 13 muestra la cantidad de fertilizante usado en las suertes y el contenido de nitrógeno del mismo. Tabla 13. Cantidad de fertilizante y contenido de Nitrógeno aplicado en el área de estudio (63 ha). FERTILIZANTE APLICADO EN EL Contenido de AREA DE Nitrógeno ESTUDIO en el fertilizante VINAZA (L) 33000 0,17 kg/m3 UREA (kg) 1100 por ha 466,67g/kg Urea PROVIFOLE (L) 25 por ha 160 g/L Fuente: Dirección de Investigaciones en Campo Ingenio Providencia S.A. En cada una de las labores agrícolas, se usan tractores a los cuales se les acoplan herramientas dependiendo de la actividad. Los vehículos que intervienen en la etapa de cultivo, se muestran en la Tabla 14.
83
HERRADA U. Jorge Julio y BESOSA T. Ramiro. Uso de Vinaza como Fertilizante en el Ingenio Providencia, Tecnicaña VII Congreso 2006, Vol 1, Ingenio Providencia S.A., Cali, Colombia, 2006, p.125. 84
Ibíd., p.127.
85
AGROCAB. Ficha técnica, 2008
53
Tabla 14. Vehículos que intervienen en la etapa de cultivo. ETAPA
ACTIVIDAD Subsolado
CULTIVO
Arado Rastrillado Surcado Fertilización
VEHICULO
Tractor VALTRA BM125i 4x4 Tractor VALTRA BH205i 4x4 Tractor VALTRA BM125i 4x4 Tractor VALTRA BM125i 4x4 Tractor VALTRA BM125i 4x4
MOTOR (hp)
CONSUMO 86 (gal/hr)
142
1,8
242
4,2
142
1,8
142
1,8
142
1,8
Fuente: UNIMAQ AGRICOLA S.A
3.4.3 Etapa de cosecha. En el área de estudio previo al corte se realiza la quema abierta controlada del cultivo, según Macedo 87 et al., el 80% de las hojas y yaguas se queman en esta actividad. El corte de caña en la Hacienda la Aurora es manual, en promedio se estima que la eficiencia del corte de caña quemada con esta variedad es, 6 ton/Hombre/día 88 . Después de cortada la caña se alza mediante alzadoras de tres llantas (triciclos) que tienen una eficiencia de 80 toneladas por hora y son depositadas en vagones que son halados por tractores. Los vehículos que intervienen en la cosecha de caña de azúcar se relacionan a continuación: Tabla 15. Vehículos que intervienen en la etapa de cosecha. ETAPA
ACTIVIDAD
VEHICULO
Cargadora Jhon Deere 1850 COSECHA Tractor VALTRA Transporte BH205i 4x4 Fuente: UNIMAQ AGRICOLA S.A y JHON DEER Alce
MOTOR (hp)
CONSUMO (gal/hr)
115
1,6 89
242
4,2 90
3.4.4 Etapa de proceso industrial. La fabricación del bioetanol en el Ingenio Providencia S.A: se lleva a cabo en la fábrica de azúcar hasta la obtención de la miel B y posteriormente en la destilería, como se explica a continuación: 86
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
87
MACEDO Isaias, LEAL Manoel R., AZEVEDO João E., Assessment of greenhouse gas emissions in the production and use of fuel ethanol in Brazil, Government of the State of São Paulo-Secretariat of the Environment, 2004, p.34. 88
Ibíd., p.52.
89
JHON DEERE, Cargadora de caña autopropulsada 1850 especificaciones, México 2008.
90
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
54
Fábrica de azúcar: • Patios de caña: La caña que llega del campo se muestrea con el propósito de conocer su calidad, luego se pesa y se almacena en los patios o se dispone en las mesas de caña para ser llevada al molino por los conductores de caña, en los cuales se hace un lavado en seco con unos ventiladores para retirar las hojas y partículas adheridas a ella. • Preparación de la caña: en su camino hacia el molino, la caña es preparada por un nivelador, picadoras oscilantes y desfibradora, que abren la fibra para facilitar la extracción del jugo. • Molienda y pesaje: la caña preparada llega al molino donde se extrae el jugo para la posterior elaboración del azúcar. La caña se muele en seis molinos de cuatro mazas y rodillo alimentador cada uno. El colchón de caña preparada, pasa a través de cada molino y por presión sobre éste, se le extrae el jugo. Para lograr extraer la mayor cantidad de sacarosa de la caña, al material que sale de cada molino se le adiciona agua de imbibición al último molino, la cual al devolverse hasta el segundo molino se va enriqueciendo de sacarosa. A la salida del último molino se obtiene bagazo al cual se le ha recuperado la máxima cantidad posible de azúcar y es enviado a las calderas donde se utiliza como combustible principal para la producción de vapor, el restante se le hace un pretratamiento para comercializarlo y transformarlo en papel. El material fino separado por medio de unas cribas vibratorias, denominado bagacillo se emplea en el proceso de clarificación de los jugos, llamado filtración, como soporte para el tratamiento que se le hace a los lodos evacuados de los clarificadores. • Generación de vapor: el bagazo enviado a las calderas, el cual junto con carbón se emplea en su combustión para la conversión del agua en vapor y su transformación en energía mecánica (en los molinos) y energía eléctrica (en los turbogeneradores) • Sulfitación, alcalización, calentamiento y clarificación: la sulfitación se emplea para disminuir el color en el jugo, aumentar su brillantez y ayuda a la eliminación de microorganismos. Luego se le añade cal en un proceso llamado “alcalización” para neutralizar su acidez y especialmente para lograr separación de los sólidos presentes por la formación de un precipitado. Después de adicionarle la cal, el jugo se calienta para acelerar la reacción química con los sólidos no azucares presentes en el jugo, formándose finas partículas por lo cual se debe adicionar un floculante que se encarga de conglomerarlas y darles el peso suficiente para posteriormente enviarlo a los clarificadores en donde se logra la separación de estos sólidos por su precipitación o decantación, que son retirados del clarificador en forma de lodos. El jugo que sale por la parte superior de los clarificadores es limpio y brillante. Se le conoce como jugo clarificado y se envía a los evaporadores. • Filtración y clarificación del jugo filtrado: Los lodos retirados por la parte inferior del clarificador se envían a la estación de filtración, donde se preparan con bagacillo floculante y cal. Esta mezcla forma una torta porosa en los filtros rotativos al vacío donde se le adiciona agua caliente y se le recupera la mayor cantidad de sacarosa posible. La materia sólida resultante de este proceso se conoce como “cachaza” y se conduce a unas tolvas, donde se mezcla con la ceniza que sale de las calderas.
55
•
•
•
•
Esta mezcla se utiliza como abono en el campo, en la adecuación de suelos pobres en materia orgánica, potasio, calcio y nitrógeno. El jugo extraído en los filtros se mezcla con ácido fosfórico, cal y floculante, también se le inyecta aire en pequeñas partículas que hacen flotar los sólidos disueltos en jugo, luego se envía a un proceso de “clarificación de jugo filtrado” conocido también como “talofiltrado” en donde se separan las impurezas por flotación y posteriormente se mezclan con la cachaza que sale de los clarificadores. El jugo limpio obtenido se mezcla con el jugo clarificado. Evaporación: el jugo clarificado posee un alto contenido de agua, la cual es indispensable retirar. Esto se logra en la estación de evaporación donde se recibe un jugo de aproximadamente 15° brix y se concentra hasta 60 °brix, esto da como resultado la meladura o jarabe. Clarificación de meladura: la meladura que sale de los evaporadores se clarifica para obtener un material más claro, limpio y brillante. Esto se obtiene en la estación de clarificación donde la meladura se sulfita, se le adiciona ácido fosfórico, cal y floculante para luego ser enviado al clarificador de meladura, donde se le inyecta aire en pequeñas partículas que hacen flotar las impurezas sólidas en forma de espuma, esta se retira y se mezcla con la cachaza que sale de los clarificadores. Cristalización: el agua presente en la meladura clarificada, continúa evaporándose en un equipo especial denominado “tacho”, induciendo a que los cristales de sacarosa presentes crezcan hasta alcanzar un tamaño deseado. Este desarrollo tridimensional de la sacarosa es conocido como “cristalización” o elaboración de masas, que es la mezcla de los cristales de azúcar y el líquido sobrenadante o miel. Centrifugación: la masa de los tachos se envía a las centrifugas, donde se separa la miel de los cristales de azúcar. Para obtener azúcar más blanco, dentro de la centrifuga se aplica agua caliente que elimina los residuos de miel adheridos a los cristales de azúcar. La miel se envpia a unos tanques de almacenamiento donde posteriormente se utilizan en otros proceso de cristalización y centrifugación. (masas B y C), hasta que se obtiene la miel final. El diagrama de proceso de la Fábrica de Azúcar hasta la producción de Miel B se presenta en el ANEXO A (Planos 1 - 3).
Destilería: En la destilería las materias primas son la miel B, el jugo clarificado y la meladura; todos subproductos de la fabricación de azúcar, que mezclados se denominan mosto. • Fermentación: la sacarosa (azúcar) presente en la materia prima se desdobla a sus azúcares primarios glucosa y fructosa (azúcares reductores o invertidos), mediante la adición de ácido sulfúrico y posteriormente en contacto con una levadura especial que transforma estos azúcares fermentables en alcoholes, principalmente el etanol. E producto que sale de los fermentadores de denomina vino y contiene un porcentaje de etanol entre 7% y 9%, se envía a un separador de levadura por decantación para reciclar una parte y proseguir el vino al proceso de destilación. La levadura es sometida a un proceso de activación y es devuelta al primer fermentador para iniciar un nuevo ciclo de fermentación.
56
•
•
Destilación: es un proceso de evaporación fraccionada, el cual separa los componentes del vino dependiendo de su punto de ebullición. En la primera columna llamada “destrozadora” se aprovecha que los alcoholes tienen un punto de ebullición más bajo que el del agua y todas las impurezas que venían en el material, salen por la parte inferior de la columna en forma de “vinazas”. La levadura especial que se dispone, es capaz de resistir y producir alcoholes con un 60% de la vinaza que es retornada a los fermentadores para diluir la materia prima y economizar agua. El otro 40% se envía a la unidad concentradora de vinaza denominada “flubex”, en donde mediante un proceso de evaporación se obtiene una concentración de sólidos del 22%, una densidad de 1030 g/L en promedio 91 y una demanda química de oxigeno entre 180 mil y 250 mil ppm, estas se mezclarán con la cachaza que resulta del proceso de la clarificación en la producción de azúcar y mediante de un proceso de compostaje se convertirá en abono para los cultivos de caña de azúcar, esto hace que se reduzca la producción de vinaza de 15 litros hasta aproximadamente 1,2 litros de vinaza por cada litro de etanol producido 92 . Los vapores procedentes de la columna destrozadora, con un contenido de 44 – 46% de etanol, se envían a la columna “rectificadora”, donde se aumenta su concentración hasta aproximadamente el 95%. Por el fondo de esta columna salen otras impurezas denominadas “flegmazas”, se generan 3.6 litros por un litro de etanol producido 93 y se envían a la planta de tratamiento de aguas residuales junto con los condensados del flubex. Deshidratación: el alcohol rectificado debe ser sometido a tamizaje molecular, donde resinas de intercambio retienen el agua presente en los vapores del alcohol rectificado, obteniéndose finalmente un etanol con una concentración del 99,5% que es conocido como etanol anhidro o alcohol carburante. En promedio se elaboran 75,78 litros de etanol por una tonelada de caña molida 94 en el Ingenio Providencia. El diagrama de flujo del proceso de la destilación de bioetanol en la destilería se presenta en el ANEXO B (Plano 4).
La energía requerida para la fabricación de bioetanol en el Ingenio Providencia se obtiene mediante la combustión de carbón y bagazo en las calderas, se consumen 2002 toneladas de bagazo y 71 toneladas de carbón, para una molienda de 9169 toneladas de caña diaria 95 . Se considera el consumo de energía en la producción total (azúcar y bioetanol) del ingenio, debido a que se dificultó la obtención del valor de consumo de energía solamente hasta la producción de miel B en la fábrica de azúcar, sin embargo esta miel se elabora en las últimas etapas de la fabricación de azúcar, pues después de la obtención de esta sustancia prosiguen solo dos etapas (secado y envase). 91
INGENIO PROVIDENCIA S.A., Informe Diario de Fábrica, Departamento de Calidad de Conformidad en Fábrica, 9 de Septiembre de 2009. 92
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Reporte Diario del Proceso de Molienda Fabrica; Gerencia de Fabrica Operación y Mantenimiento. Cali, Mayo 2009. p.1. 93
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Programa de estandarización Interingenios, Gestión de Fabrica. Cali, Mayo de 2009.
94
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Reporte Diario del Proceso de Molienda Fabrica; Gerencia de Fabrica Operación y Mantenimiento. Cali, Mayo 2009. p.1. 95
Ingenio Providencia S.A., Gerencia de Fabrica operación y mantenimiento, Reporte diario proceso de molienda fabrica, Mayo 2009, p.1.
57
Planta de Compostaje. El ingenio providencia cuenta con un área de 6,7 hectáreas para el tratamiento biológico de la vinaza y los residuos orgánicos de la producción de etanol como cachaza de los patios de caña, bagazo, hoja picada, ceniza mineral proveniente de la combustión de calderas y vinaza concentrada subproducto de la producción de alcohol carburante. La planta de compostaje, tiene capacidad para tratar 420 toneladas de residuos y 340 toneladas de vinaza con lo cual produce 382 toneladas de compost al día. Las pilas de compostaje se distribuyen en 72 espacios que contienen 10 pilas de 80 metros de largo y 11 pilas de 100 metros por 4,80 metros de ancho. Las pilas de 80 metros se construyen con 380 Ton de residuos y las de 100 metros de largo con 420 Ton de residuos. Las pilas de compostaje se aglomeran con cachaza, bagacillo, hoja picada, ceniza de calderas (faldas de pila), lodos de vinaza y un inóculo de compost, todos estos componentes subproductos o desechos provenientes de la fabricación de azúcar y bioetanol como lo muestra la Tabla 16. Tabla 16. Composición de las pilas en el Ingenio Providencia S.A.
COMPONENTE
PORCENTAJE
CANTIDAD Pila de 80 m
Cachaza (kg) 70% 266.000 Bagacillo (kg) 3% 11.400 Hoja Picada (kg) 12% 45.600 Faldas de pilas (kg) 4% 15.200 Inoculo (compost kg) 1% 3.800 Lodos de Vinaza (kg) 10% 38.000 TOTAL 100% 380.000 Aplicación de Vinaza (L) 225 Fuente: Planta de Compostaje Ingenio Providencia S.A.
Pila de 100m 294.000 12.600 50.400 16.800 4.200 42.000 420.000 270
La transformación de estos residuos orgánicos en compost dura alrededor de 70 días. El primer y segundo día se construye la pila y se airea mecánicamente por medio de la máquina de volteo BACKHUS, a partir del tercer día hasta el día 35 se aplica vinaza mecánicamente también con el uso de la maquina volteadora y se realiza día de por medio; en cada aplicación se vierten 15 m3 de vinaza en las pilas de 80 metros y 18 m3 en las pilas de 100 metros; para un total de 225 litros de vinaza para pilas de 80 metros de largo y 270 litros para pilas de 100 metros, en 15 aplicaciones (15 días). A partir del día 35 se voltea tres veces al día con el fin de retirar humedad. El día 70 está listo para aplicar o comercializar, este producto final tiene una relación carbono nitrógeno de (C:N) 15 a 16.
58
Figura 12. Maquina volteadora BACKUS Ingenio Providencia S.A.
Figura 13. Aireación y aplicación de nutrientes. Ingenio Providencia S.A.
Fuente: Las Autoras El lixiviado generado en la formación del compost escurre por una pendiente de 5% de cada pila y es recogido en un canal ubicado al final de las pilas, este canal lo conduce a un tanque recolector en el cual, se diluye y se mezcla con la vinaza a aplicar. En el ingenio las vinazas se obtienen con 18-24% brix, porcentaje muy bajo comparado con otras destilerías del país, no obstante las vinazas se producen en grandes cantidades, motivo por el cual se almacenan en dos lagunas que sumadas tienen un volumen de 5000 m3, en estas se presentan problemas de sedimentación, debido a la cantidad de sólidos contenidos, sin embargo la planta de compostaje cuenta con un sedimentador en donde se obtiene clarificado de vinaza que es aplicado a las pilas y lodos, a los cuales se les retira la humedad en un lecho de secado; secos se pulverizan y se mezclan con el bagazo, para luego ser aplicados a las pilas. El producto final se distribuye a granel en bultos de 40 kg o en colectores de 18 toneladas, este compost generado de la trasformación de residuos de la fabricación de alcohol del Ingenio Providencia, se denomina PROVICOMP y se caracteriza por la siguiente composición: Tabla 17. Características comerciales de PROVICOMP. PARAMETRO O ELEMENTO ESPECIFICACION TEMPERATURA ≤ 40˚C HUMEDAD ≤ 35% Ph 7,5 ‐8,8 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA (CE) 8,0‐12,5 dS/m K2O 2,0% N. TOTAL 1% P2O5 1,2 % MATERIA ORGANICA 26% CARBONO ORGANICO 15% Fuente: Planta de compostaje Ingenio Providencia S.A.
59
Para el manejo del compost es necesario el uso de vehículos, la siguiente tabla muestra los vehículos que intervienen en esta actividad. Tabla 18. Vehículos que intervienen en la planta de compostaje. ETAPA
ACTIVIDAD
VEHICULO
Volteo de pilas de Maquina volteadora compost BACKUS 16.36 DESTILACIÓN Transporte de Tractor VALTRA BM125i compost 4x4 Manejo de compost Cargadora VOLVO L60F Fuente: ECOENGINEERS, UNIMAQ AGRICOLA S.A y VOLVO
MOTOR (hp)
CONSUMO (gal/hr)
99
1,6 96
142
1,8 97
156
1,8 98
Sistema de tratamiento de aguas residuales industriales. El sistema de tratamiento de aguas residuales del Ingenio Providencia está compuesto por las plantas de tratamiento de aguas residuales de la destilería y de fabrica, que envían sus efluentes hacia las lagunas de neutralización, en donde se remueven los remanentes de materia orgánica y finalmente se vierte al rio Amaime o se usa para riego en el cultivo de caña de azúcar. •
Planta de tratamiento de aguas residuales – Destilería: la planta de tratamiento de aguas residuales industriales recibe los efluentes de la destilería en la producción de bioetanol, principalmente las flegmazas, condensados de vinaza y mantenimiento de equipos. El sistema consta de un tanque de igualación, reactor anaerobio de flujo ascendente y manto de lodo (UASB-“Up Flow Anaerobic Sludge Blanket”), quemador de metano, tanque de aireación, deshidratador de lodo anaerobio y clarificador secundario. Los efluentes del clarificador secundario son conducidos hacia la laguna de neutralización, sistema de tratamiento final previo al vertido sobre las aguas del Río Amaime. Las flegmazas están compuestas principalmente por alcohol y agua, salen a una temperatura de 90º C, son enviadas por canales abiertos internos a un sumidero, allí se bombean y pasan por intercambiadores de calor, entran a la PTAR a una temperatura de 36º C, DQO de 2155,3 mg/L, DBO de 1295,2 mg/L y SST de 106,8 mg/L 99 . El tanque de equilibrio tiene un volumen de 312 m3, un tiempo de retención máximo de 6 horas y un caudal medio de 56 m3/h, en esta unidad por medio de microorganismos se desarrollan procesos biológicos preliminares como hidrólisis, acidificación y acetogénesis, mediante el control de parámetros de pH (entre 5,8 a
96
ECOENGINEERS, BACKUS 16.36 Datos Tecnicos, Wischenstr, Germany, 2007.
97
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
98
VOLVO. Cargadoras de ruedas VOLVO L60F, L70F, L90F, Especificaciones técnicas, Sweden, 2007.
99
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Certificado de Análisis- Entrada a la PTAR, Cali, 2006.
60
6,2) y alcalinidad (menor a 50 mg/l.). Esta unidad tiene un sistema de recirculación automática que controla el nivel de agua manteniéndolo a un nivel de 2 metros del fondo del tanque y sirve como mecanismo para mantener la población de microorganismos. Figura 14. Tanque de Equilibrio - PTAR Ingenio Providencia S.A.
Fuente: Las Autoras. Del tanque de equilibrio el agua es bombeada hacia el Reactor Anaerobio UASBPPS/CF, esta unidad tiene un volumen de 632 m3 y un porcentaje de remoción en carga del 80% en DQO y 85 % en DBO. Dentro del reactor se desarrollan básicamente dos colonias principales de microorganismos: acetonógenos y metanógenos, que metabolizan las moléculas de hidrógeno, ácido fórmico y ácido acético, transformándolas en metano y dióxido de carbono. Figura 15. Reactor anaerobio UASB modificado - PTAR Ingenio Providencia S.A.
Fuentes: Las Autoras.
61
El biogás producido dentro del reactor, se almacena entre la cubierta y el nivel de agua del reactor y se conduce por una tubería hacia el sistema de quemado. El sistema de quemado consta de un condensador y una tea; el gas pasa por el condensador que permite que las partículas solidas queden atrapadas y separadas del gas, y por último el entra al quemador estático y se quema, donde el 75% del gas es metano. Figura 16. Quemador de biogás. - PTAR Ingenio Providencia S.A.
Fuente: Las Autoras El agua que sale del reactor anaerobio o tanque de metanización es conducido por tubería bajo efecto de la gravedad al tanque de aireación, a través de una canaleta parshall ubicada a la entrada de la unidad, la aireación en esta unidad es proporcionada por cuatro aireadores superficiales, que mantienen condiciones optimas de oxigeno para el crecimiento de colonias de microorganismos aerobios (OD 1-3 mg/L) y además garantizan la mezcla completa en esta unidad. Figura 17. Tanque de aireación o reactor de lodos activados. - PTAR Ingenio Providencia S.A.
Fuente: Las Autoras
62
Las aguas tratadas del tanque de aireación, son conducidas por gravedad hacia el decantador secundario circular que tiene un diámetro de 10 metros, un área de 74 m2, y un puente barredor. Las aguas ingresan por el centro y salen a través vertederos triangulares comunicados con una canaleta perimetral, durante este recorrido son decantadas las partículas más densas como Sólidos Suspendidos Totales (SST), el lodo decantado en el fondo, es removido por el barredor que gira perimetralmente, el cual barre los sólidos hacia un deposito que los conduce al tanque de lodos en donde son recirculados hacia el tanque de aireación. Algunos sobrenadantes, normalmente espumas, que se encuentran en la superficie del decantador, son removidos por el barredor superficial que los conduce a una tolva para enviarlos hacia el tanque de aireación por bombeo. Finalmente el agua tratada recogida en la canaleta perimetral las conduce hacia la laguna de neutralización, a la cual llegan los afluentes del tratamiento de las aguas domesticas y de fabrica. El manejo de lodos en la PTAR, se realiza por medio de un lecho de secado, que permite la deshidratación del los lodos provenientes del tanque de lodos, cuando la concentración de lodo es mayor de 500 ml/l. Figura 18. Decantador Secundario. - PTAR Ingenio Providencia S.A.
Fuente: Las Autoras Los lechos de secado son depósitos abiertos, en donde los lodos se colocan sobre lechos de arena filtrante para que se drenen y sequen. Se tienen tres unidades tipo secuencial que aseguran una humedad ideal en el lodo (60 a 80%), para luego ser evacuado a la planta de compostaje del ingenio. •
Planta de tratamiento de las aguas residuales – Fábrica: el agua residual proveniente de los molinos, elaboración de azúcar y calderas, es tratada mediante una trampa grasas y un desarenador y son enviadas posteriormente hacia las lagunas de neutralización.
63
El efluente generado en los molinos es conducido a través de un canal rectangular hasta llegar al trampa grasas, en donde los aceites y grasas flotan por su baja densidad facilitando su extracción superficial y el residuo sólido se sedimenta, para ser evacuado de forma manual. El agua tratada es conducida a un pozo de bombeo donde es bombeada hacia el desarenador. Al desarenador llegan las aguas provenientes del trampa grasas, los vertimientos de la elaboración de azúcar y las calderas, con una DBO de 787,4 mg/L, DQO de 1326,5 mg/L y SST de 197,7 mg/L 100 , en esta unidad se retienen y precipitan sólidos suspendidos y se genera lodo que es deshidratado en el lecho de secado contiguo a esta unidad. Antes del rebose del desarenador hacia el canal principal de la laguna, se ubica una trampa de retención de grasa y sólidos flotantes en lámina de acero inoxidable, para aumentar la eficiencia del Sistema. •
Laguna de Neutralización: finalmente los efluentes de la planta de tratamiento de aguas industriales de la destilería, el tratamiento de aguas de fabrica y los canales de aguas lluvias del Ingenio, son conducidos hacia la laguna de neutralización con una concentración en DQO de 7548,4 mg/L y DBO de 2958,7 mg/L, para luego ser vertida al rio Amaime. El tratamiento biológico en la laguna anaerobia es la degradación de materia orgánica, esta tiene una profundidad de 2,5 metros, posteriormente el agua es usada para riego del cultivo de caña o vertida al rio Amaime, logrando un porcentaje de remoción de 94.4% en carga de DBO5, 95,2% en carga de SST y 86,1% en carga de aceites y grasas.
3.4.5 Etapa de distribución. El alcohol anhidro producido en la destilería es almacenado en tres tanques con una capacidad de 250,000 galones cada uno, dando una capacidad de almacenamiento de 10 días de producción. Diariamente se trasporta el alcohol en vehículos cisterna de 9000 galones, hasta los puntos de almacenamiento de los mayoristas, quienes lo mezclan con la gasolina básica y posteriormente lo distribuyen a los minoristas y estos a su vez a los puntos de suministro (estaciones de servicio), para ser comercializado y posteriormente ser usado. El bioetanol es vendido a la empresa CHEVRON PETROLIUM COMPANY y es transportado hasta las instalaciones de la ciudad de Bogotá D.C., en la localidad de Puente Aranda donde es mezclado y distribuido a las estaciones de servicio TEXACO en la misma ciudad. Los vehículos que intervienen en el transporte del bioetanol hasta sus puntos de venta se muestran en la siguiente tabla.
100
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Caracterización de Vertimientos Líquidos Industriales- Fabrica, Análisis Ambiental Ingeniería y Laboratorio, Cali, 2006, p.10.
64
Tabla 19. Vehículos que intervienen en la distribución de Bioetanol ETAPA
ACTIVIDAD
TRANSPORTE
Transporte a punto de mezcla Transporte a estación de servicio
VEHICULO
MOTOR (hp)
CONSUMO 101 (L/km)
Tractocamión International 7600
400
0,235
Tractocamión International 7600
400
0,235
Fuente: CAMION Y MOTORES INTERNATIONAL 3.4.6 Etapa de uso. El bioetanol producido en el Ingenio Providencia es transportado a la ciudad de Bogotá y distribuido en las estaciones de TEXACO, donde es usado. 3.5
APLICACIÓN DEL MÉTODO DE ESTIMACIÓN
Después clasificar las actividades que conforman el CDV en cada uno de los sectores de la metodología, se realiza la cuantificación de los GEI en cada uno de ellos como se detalla a continuación. Es importante aclarar, como se fijo anteriormente que la base de calculo del presente trabajo son las 63 hectáreas del área de estudio elegida, debido a que el calculo de las emisiones de GEI en cada sector se realizo teniendo en cuenta la producción de caña de azúcar para dicha área. 3.5.1 Sector de energía. El cálculo de las emisiones de GEI generadas por el uso de combustibles en fuentes estacionarias y móviles se muestra a continuación. Combustión estacionaria. Para el cálculo de la subcategoría de combustión estacionaria se tienen en cuenta dos fuentes de emisión identificadas previamente: la primera es la generación de vapor y energía en las calderas y la segunda, una planta eléctrica que usa como combustible el diesel para el sistema de riego, la ecuación general para hacer el cálculo de estas emisiones consiste en relacionar la cantidad de combustible en unidades energéticas por el factor de emisión del GEI, como se muestra en la ecuación 1.1. Para determinar las emisiones de CO2, CH4 y N2O producidas por la combustión estacionaria en el INGENIO PROVIDENCIA S.A., es preciso determinar el consumo y tipo de combustibles por tonelada procesada o por área cortada en las dos fuentes de emisión identificadas, las cuales son las calderas y el sistema de riego. A continuación se muestra un ejemplo de la manera en que se calculó esta emisión: 101
Camiones y Motores INTERNATIONAL. International 7600, Ficha técnica, 2008
65
Emisiones de GEI producidas por la combustión estacionaria en el las calderas del ingenio: El consumo de combustible (Consumo combustibletipo de combustible ) de las calderas se cálculo de la siguiente manera: En el informe diario de fábrica 102 del mes de mayo el consumo promedio diario de bagazo y de carbón es, 2002 y 71 toneladas respectivamente, para una molienda promedio de 9169 toneladas/dia, entonces la relación entre el consumo de los combustibles y la molienda es: ñ
2002 9169
í
ñ
0,2183 ñ
71 9169
ó
í
ó
0,0077 ñ
ó
Además la variedad CC 85-92 produce 125,3 toneladas de caña por hectárea 103 , entonces en el área de estudio (63 ha) se obtendrán: 125,3
ñ
63
7893,9
ñ
Entonces el consumo de combustible en las calderas para la generación de energía en el Ingenio Providencia S.A. será: 0,2183 ñ
7893,9 ,
ñ
De las cuales 946,47 Ton de bagazo proceden de la molienda de la caña obtenida del área de estudio (63 ha), sabiendo que el contenido de fibra de la variedad CC 85-92 es 11,99% 104 .
ó
0,0077 ñ
ó
7893,9
ñ
102
Ingenio Providencia S.A., Gerencia de Fabrica operación y mantenimiento, Reporte diario proceso de molienda fabrica, Mayo 2009, p.1. 103
CARBONELL, J.; AMAYA, A.; ORTIZ, B; TORRES, J.; QUINTERO, R. e ISAACS, C. Zonificación agroecológica para el 103 cultivo de la caña de azúcar en el valle del rio Cauca. Tercera aproximación. Cali, CENICAÑA, 2001, o.39-40. Citado por: VICTORIA K., Jorge. et al, 2002, p.30. 104
Ibíd., Cuadro 19. p.55.
66
,
ó
ó
Para computar el consumo de combustible en la ecuación 1.1., es necesario convertir los consumos de combustible a unidades energéticas (Tj) se multiplica el consumo de combustible hallado por el valor calorífico neto (VCN) del combustible. En el análisis de emisiones del Ingenio Providencia 105 el bagazo tiene un VCN de 7880 btu/lb y el carbón mineral 11247 btu/lb, sabiendo que un Btu/lb = 2.326 kJ/kg 106 , 2,326
7880
1 1000.000.000
1 ,
2,326
11247 ó
1 1000.000.000
1 ó
/
,
/
Y el consumo de combustible en TJ es:
1723,238
ó
60,783
1000 1
,
ó ó
,
1,8329 10
1000 1
2,61 10
Los factores de emisión de los GEI cuantificables tomados por defecto del IPCC, para el bagazo y el carbón se muestran en la Tabla 20.
105
Ingenio Providencia S.A., Estudio De Emisiones Atmosféricas Calderas 1 – 2 - 3, Informe final, Tabla 43. Cali, Marzo 2009, p.37. 106
CENGEL, Yunus A. y BOLES. Michael A. Termodinámica, Mc Graw Hill, cuarta edición, Factores de Conversión, 2003.
67
Tabla 20. Factores de Emisión de GEI para los combustibles usados en las calderas. COMBUSTIBLE GEI Factor de emisiónGEI,combustible 107 (kg GEI/TJ) BAGAZO
CARBÓN MINERAL BITUMINOSO
CO2 CH4 N2 O CO2 CH4 N2 O
100000 30 4 96100 300 1,5
Fuente: IPCC, 2006 Entonces las emisiones de GEI de la combustión de bagazo en las calderas, son: 31,585
ó 100000
31,585 ,
31,585
31,585
ó
4
,
31,585
ó
,
30
31,585 ,
,
,
Y para la combustión de carbón se calcula de la misma manera, los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 21. Tabla 21. Emisiones de GEI en la combustión de Carbón. COMBUSTIBLE GEI EmisionesGEI (kg GEI) CO2 152810, 128 CARBÓN MINERAL BITUMINOSO CH4 477,035 N2O 2,385 Fuente: Las autoras. 107
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Energía Combustión Estacionaria, IPCC, 2006. Vol.2, Cuadro 2.2, p.2.17.
68
Emisiones de GEI producidas por la combustión estacionaria en el Módulo de riego: todos los sistemas de riego existentes necesitan una fuente de energía para la impulsión del agua desde la fuente hasta el cultivo, esta necesidad se suple en algunos casos con energía potencial en el caso de contar con un tanque elevado que aproveche la fuerza de la gravedad o con energía alternativa, como es el caso de estudio en el que existe un módulo de riego compuesto por una bomba centrífuga que opera con un combustible, específicamente biodiesel. Para conocer los detalles de la cantidad de energía demandada por el módulo de riego y de las emisiones producidas al suplir la misma, ver numeral 1.1 del anexo C. Combustión móvil. Las emisiones de GEI procedentes de la combustión móvil, se estiman por la actividad de transporte, provocadas por la quema y evaporación de combustible usado para tal fin. Teniendo en cuenta el CDV del bioetanol obtenido de caña de azúcar y para efectos del presente estudio, se establecieron las fuentes de combustión móvil para cada una de las etapas involucradas, como se muestra en la Tabla 22. Tabla 22. Fuentes de combustión móvil en las etapas del CDV del bioetanol. ETAPAS FUENTE MÓVIL ACTIVIDAD Tractor con subsolador MARCHESAN AST 9/5 Tractor con arador INAMEC ACP5 CULTIVO (Ver Anexo C, numeral 1.2.1)
COSECHA (Ver Anexo C, numeral 1.2.2)
DESTILACIÓN (Ver Anexo C, numeral 1.2.3)
Subsolado Arado
Tractor con rastrillo T360
Rastrillada
Tractor con surcadora INAMEC VCM‐3
Surcado
Tractor con tolvas abonadoras INAMEC RNP +4
Fertilización
Cargadora de caña Jhon Deere 1850
Alce
Tractor cañero
Transporte de caña cosechada hacia la zona de molienda.
Maquina volteadora BACKUS
Volteo de pilas.
Cargadora de ruedas VOLVO L60F
Movimiento de materiales dentro del área de compostaje.
Tractor
Para transporte de material compostado al área de cultivo.
69
ETAPAS
FUENTE MÓVIL
ACTIVIDAD
Vehículo cisterna
Transporte de bioetanol en vehículos cisterna a punto de mezcla Transporte de bioetanol en vehículos cisterna a estación de servicio
Quema del bioetanol
Uso del bioetanol
DISTRIBUCIÓN Y USO (Ver Anexo C, numeral 1.2.4) USO (Ver Anexo C, numeral 1.2.5) Fuente: Las Autoras.
El nivel designado para esta subcategoría es el nivel 1, en el cual se usan factores de emisión por defecto según el tipo de combustible y se calculó con la ecuación 1.2. La cuantificación de GEI generados en el ciclo de vida por combustión móvil del transporte terrestre, se presenta en cada una de las etapas de cultivo, cosecha, proceso industrial, distribución y uso. Ejemplo de cálculo de las emisiones de GEI en la actividad de subsolado. Suponiendo que el área es cuadrada y tiene un ancho de 793,8 metros y un largo de 793,7 metros (en total las 63 hectáreas de estudio) y conociendo las características de las labores agrícolas, se calcula la distancia total del recorrido que realiza el tractor, como se muestra a continuación para la actividad de subsolado: El subsolador MARCHESAN AST 9/5, tiene un ancho útil de 2 metros 108 , esta actividad se realiza en dos pases por el terreno, entonces la distancia recorrida será:
793,8 2
2
793,8
Entonces la distancia total recorrida en el subsolado en km, es:
108
TATU MARCHESAN, Manual de instrucciones AST; Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
70
1000 793,8
793,8 1000
630,1
Según la ficha técnica del subsolador MARCHESAN AST 9/5, se requiere de un tractor con una potencia de 100 a 150 hp, para lo cual se selecciona el tractor VALTRA BM125i4x4, que tiene una potencia de 142 hp y consume 1,8 galones de Biodiesel por hora 109 , además la velocidad aproximada de operación en la labor del subsolado es de 6 km/h 110 . Entonces el consumo de combustible en la labor de subsolado del terreno, del área de estudio es:
ó 630,1 6 /
189,03
1,8
/
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 111 , la conversión a kilogramos es:
189,03
3,7854 1
0,9158
655,304
Y en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 112 , así:
655,30
0,000037
109
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
110
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009.
111
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
112
Ibid,.
71
0,02424
Como se mostró anteriormente, se realiza el cálculo del consumo de combustible en las demás actividades clasificadas dentro de la subcategoría de combustión móvil (Subsolado, arado, rastrillado, surcado, fertilización, alce, transporte, volteos y cargas en la planta de compostaje, distribución y uso) y la Tabla 23 resume los resultados. (Para ver le detalle de este cálculo dirigirse al ANEXO C, numeral 1.2. Tabla 23. Consumos de Combustible de las fuentes de emisión móvil. COMBUSTIÓN MOVIL ETAPA
CULTIVO
COSECHA
DESTILACIÓN
VEHICULO
ACTIVIDAD
Tractor VALTRA BM125i 4x4 Tractor VALTRA BH205i 4x4 Tractor VALTRA BM125i 4x4 Tractor VALTRA BM125i 4x4 Tractor VALTRA BM125i 4x4 Cargadora Jhon Deere 1850 Tractor VALTRA BH205i 4x4 Cargadora VOLVO L60F Tractor VALTRA BM125i 4x4
Subsolado Arado Rastrillado Surcado Fertilización Alce Transporte cañero Manejo de compost Transporte de compost Aireación y volteo de compost Transporte Ingenio – Punto de Mezcla Transporte Punto de Mezcla – Estaciones de Servicio Combustión de Bioetanol
Maquina volteadora BACKUS Tractocamión International 7600 DISTRIBUCIÓN Tractocamión International 7600 USO
CONSUMO DE COMBUSTIBLE Tj 0,024246 0,020115 0,006928 0,034638 0,166697 0,022781 0,078202 0,000316 0,001154 1,949655 0,277249 0,159153 14,04857
Luego de obtener el consumo de combustible de cada actividad, se multiplica este valor por el factor de emisión correspondiente para cada gas. Siguiendo con el ejemplo de la actividad de subsolado, tenemos: Aplicando la ecuación 1.2, para determinar la emisión de dióxido de carbono del tractor VALTRA BM125i 4x4 que se usa en el subsolado del suelo, será:
0,02424
72
75460,460
,
De esta manera se estima la emisión de metano y oxido nitroso, empleando los factores de emisión correspondientes. Los detalles del cálculo de las emisiones de GEI producidas por la combustión móvil se muestran en el ANEXO C en el numeral 1.2. y se resumen en la Tabla 24. Tabla 24. Emisiones de GEI por la combustión móvil en el CDV del bioetanol EMISIÓN (kg) ETAPA ACTIVIDAD CO2 CH4 Subsolado 1829,633 0,046 Arado 1517,891 0,038 CULTIVO Rastrillado 522,764 0,013 Surcado 2613,832 0,066 Fertilización 12579,015 0,316 Alce 1719,099 0,043 COSECHA Transporte cañero 5901,132 0,148 Manejo de compost 23,864 0,001 DESTILACIÓN Transporte de compost 87,112 0,002 Aireación y volteo de compost 147121,849 3,696 Transporte Ingenio – Punto de Mezcla 20852,720 0,526 DISTRIBUCIÓN Transporte Punto de Mezcla – Estaciones de 11970,417 0,302 Servicio USO Combustión de Bioetanol 878618,050
N2O 0,101 0,084 0,029 0,145 0,697 0,095 0,327 0,001 0,005 8,149 1,159 0,665
3.5.2 Sector de agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra (AFOLU). En el sector agricultura se identifican las emisiones producidas por la quema precosecha del cultivo y la aplicación de fertilizantes (emisiones directas e indirectas) y urea, a continuación se presenta el ejemplo de cálculo para la quema precosecha del cultivo. Para este estudio se aplica el Nivel 1, en donde estas emisiones de GEI se estiman teniendo en cuenta la biomasa quemada y el factor de emisión que aconseja la metodología para el caso específico de la precosecha de caña de azúcar, como se muestra a continuación: ECUACIÓN 2.1. ESTIMACION DE EMISIONES DE GASES EFECTO INVERNADERO A CAUSA DEL FUEGO (Nivel 1) 113 10 113
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 2.27., p.2.48.
73
Donde: Lfuego = Cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero provocada por el fuego, ton de GEI (CO₂, CH₄, N₂O y CO) A = Superficie quemada, ha. Se considera la quema de la totalidad del área de estudio (63 ha). = Masa de combustible disponible para la combustión, ton/ha. En el cultivo de la MB caña de azúcar se consideran hojas y yaguas. Cf = Factor de combustión, sin dimensión, Según el IPCC 114 para la quema previa a la cosecha de caña de azúcar, el factor de combustión es 0,8. Gef = Factor de emisión de gas efecto invernadero, gr GEI/kg de materia seca quemada, Los factores de emisión según el IPCC 115 se muestran en la siguiente Tabla 25. Tabla 25. Factores de emisión para la quema de biomasa GAS EFECTO INVERNADERO CO₂ CH₄ N₂O CO
FACTOR DE EMISION (gr GEI/kg) 1515 92 2,7 0,07
Fuente: IPCC, 2006. La masa de combustible disponible para la combustión (MB), se halla de la siguiente manera: La variedad CC 85-92, en su desarrollo vegetativo produce 270 kilogramos de Hojas y Yaguas por tonelada 116 y 125,3 Ton de caña por hectárea (TCH) 117 , el material quemado según Macedo 118 , es el 80% de las hojas y yaguas de la planta (270 kg), así pues MB será: 270
125
0,8
1 1000
114
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Cuadro 2.6, p.2.55.
115
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Cuadro 2.5, p.2.53.
116
VICTORIA K., Jorge.; AMAYA E., Álvaro.; RANGEL J., Hernando.; VIVEROS V., Carlos.; CASSALETT D., Clímaco.; CARBONELL G., Javier.; QUINTERO D., Rafael.; CRUZ V., Ricardo.; ISAACS E., Camilo.; LARRAHONDO A., Jesús.; MORENO G., Carlos.; PALMA Z., Alberto.; POSADA C., Claudia.; VILLEGAS T., Fernando y GOMEZ L., Luis, Características agronómicas y de productividad de la variedad Cenicaña Colombia (CC) 85-92. Cali, CENICAÑA, 2002. p.9. 117
Ibid., p.30.
118
MACEDO Isaias, LEAL Manoel R., AZEVEDO João E., Assessment of greenhouse gas emissions in the production and use of fuel ethanol in Brazil, Government of the State of São Paulo-Secretariat of the Environment, 2004, p.34.
74
27
Entonces para la emisión de dióxido de carbono:
63
27
10
1515
0,8
,
10
De la misma manera se calculo las emisiones de monóxido de carbono, metano y oxido nitroso, siendo los siguientes resultados: , ,
Emisiones directas de N2O. Las fuentes de nitrógeno para estimar las emisiones directas de N2O de suelos gestionados son las siguientes: •
• •
•
•
Fertilizantes de N sintético (FSN). En el caso de estudio se tienen en cuenta las cantidades de nitrógeno contenidas en los fertilizantes usados en las 63 hectáreas de estudio y que corresponden a urea y PROVIFOLE. Los detalles de esta cuantificación se muestran en el anexo C, ecuación 2.2.1. N orgánico aplicado como fertilizantes (FON). Esta variable se considera por la aplicación de vinaza como fertilizante en los suelos de cultivo, los detalles del cálculo se muestran en el anexo C, numeral 2.2, ecuación 2.2.1A. N de la orina y el estiércol depositado en las pasturas, praderas y prado por animales de pastoreo (FPRP). En el área de estudio no se contemplan áreas de pasturas, ni praderas y tampoco animales de pastoreo, por lo tanto esta variable no se incluye dentro del cálculo. N en residuos agrícolas (aéreos y subterráneos), incluidos los cultivos fijadores de N y de forrajes durante la renovación de las pasturas (FCR).Los detalles del cálculo de esta variable se muestran en el anexo C, numeral 2.2, ecuaciones 2.2.1B y 2.2.1B1. La mineralización de N relacionada con la pérdida de materia orgánica del suelo como resultado de cambios en el uso de la tierra o en la gestión de suelos
75
•
minerales (FSOM). Esta variable no se tiene en cuenta, pues el área de estudio no ha cambiado de uso o gestión de tierra en al menos 20 años. El drenaje/la gestión de suelos orgánicos (es decir, Histosoles) (FOS). Esta variable tampoco se tiene en cuenta ya que los suelos del valle del cauca contienen 2% a 4% de carbono orgánico 119 y no tienen las características de un suelo orgánico, como lo describe la metodología del IPCC 120 .
Emisiones indirectas de N2O. Las emisiones indirectas de N2O tienen lugar por dos vías, la primera a partir de la volatilización de NH3 y NOx de suelos gestionados y la segunda se provoca después de la lixiviación y el escurrimiento del nitrógeno, principalmente como NO3- (Anión Nitrato), de suelos gestionados. Las emisiones indirectas de oxido nitroso por la volatilización de nitrógeno, se calculan como se muestra a continuación: ECUACIÓN 2.3.1. N2O PRODUCIDO POR DEPOSICIÓN ATMOSFÉRICA DE N VOLATILIZADO DE SUELOS GESTIONADOS (Nivel 1) 121
Donde: = Cantidad de N2O–N producida por deposición atmosférica de nitrógeno N2O(ATD)-N volatilizado de suelos gestionados, kg N2O–N = Cantidad de nitrógeno de fertilizante sintético aplicado a los suelos, kg N. FSN (32592,231 Kg de N). FracGASF = Fracción de nitrógeno de fertilizantes sintéticos que se volatiliza como NH3 y NOx, kg N volatilizado/kg N aplicado. Según el IPCC 122 , por defecto se usa 0,10 kg NH3–N + NOx–N / kg N aplicado. = Cantidad de estiércol animal gestionado, compost, lodos cloacales y otros FON (vinaza) agregados de nitrógeno orgánico aplicado a los suelos, kg N. Obtenido a partir de la ecuación 2.2.1A. (5,61 Kg de N).
119
QUINTERO D, Rafael. Fertilización de la caña de azúcar con nitrógeno y potasio en suelos de la parte plana del Valle del Cauca, Centro de Investigación de la Caña de Azúcar de Colombia- CENICAÑA, Cali, 2007, p.2.
120
Los suelos son orgánicos si satisfacen los requisitos 1 y 2, o 1 y 3 que se indican a continuación (FAO, 1998): 1. Espesor de 10 cm o más. Un horizonte de menos de 20 cm de espesor debe tener un 12 por ciento o más de carbono orgánico cuando se mezcla a una profundidad de 20 cm; 2. Si el suelo nunca se satura con agua durante más de unos pocos días, y contiene más de un 20 por ciento (en peso) de carbono orgánico (alrededor de un 35 por ciento de materia orgánica); 3. Si el suelo está sujeto a episodios de saturación hídrica y tiene: (i) como mínimo un 12 por ciento (en peso) de carbono orgánico (alrededor de un 20 por ciento de materia orgánica) si no tiene arcilla; o (ii) como mínimo un 18 por ciento (en peso) de carbono orgánico (alrededor de un 30 por ciento de materia orgánica) si tiene un 60 por ciento o más de arcilla; o (iii) una cantidad intermedia proporcional de carbono orgánico para cantidades intermedias de arcilla (FAO, 1998).
121
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.9, p.11.23.
122
Ibíd., Cuadro 11.3, p.11.26.
76
FPRP = Cantidad de nitrógeno de la orina y el estiércol depositada por animales de pastoreo en pasturas, prados y praderas, kg N. Este factor es cero porque no existen aportes de nitrógeno por orina o estiércol animal. FracGASM = Fracción de materiales fertilizantes de nitrógeno orgánico (FON) que se volatiliza como NH3 y NOx, kg N volatilizado/kg N aplicado. Según el IPCC 123 , por defecto se usa 0,20 Kg NH3–N + NOx–N / kg N aplicado. EF4 = Factor de emisión correspondiente a las emisiones de N2O de la deposición atmosférica de nitrógeno en los suelos y en las superficies del agua kg N–N2O /kg NH3–N + NOx–N volatilizado. Según el IPCC 124 , por defecto se usa 0,010 kg N–N2O /kg NH3–N + NOx–N volatilizado. Al sustituir las variables, la ecuación se resuelve así:
32592,231 5,61
0,10
0,20
0
0,010
,
La conversión de emisiones de N2O–N a emisiones de N2O para efectos de esta metodología 125 se realiza empleando la siguiente ecuación:
32,603
,
44 28 44 28
Las emisiones generadas por la lixiviación o escurrimiento del nitrógeno contenido en los fertilizantes, se calcula mediante la ecuación 2.3.2. (Ver ANEXO C, numeral 2.3) Emisiones de CO2 de fertilización con urea. La fertilización con urea se presenta en el momento en el que el suelo entra en contacto con el compuesto, el cual sufre una 123
Ibíd., Cuadro 11.3, p.11.26.
124
Ibíd., Cuadro 11.3, p.11.26.
125
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, p.11.11.
77
transformación llamada hidrólisis en presencia de agua y de enzimas de ureasa, que da como resultado carbonato de amonio y agua ((NH4)CO3·H2O). 126 El carbonato de amonio es inestable lo que conduce a su rápida transformación en amonio (NH3), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), el amonio puede ser aprovechado por las plantas (cultivo) o volatilizarse y emitirse a la atmósfera como se considera en la sección de emisiones indirectas de amonio (NH3), por otra parte, para Nivel 1 se supone que todo dióxido de carbono contenido en la urea, es el mismo liberado a la atmósfera y que se cuantifica como se muestra a continuación: Las emisiones de dióxido de carbono generadas por la aplicación de urea como fertilizante a los suelos agrícolas se calculan con la ecuación 2.4. ECUACIÓN 2.4. EMISIONES DE CO2 POR LA APLICACIÓN DE UREA (Nivel 1) 127
ó
Donde: CO2-C = Emisiones de carbono por la aplicación de urea, ton C M = Cantidad de fertilizantes con urea, ton urea. En el área de estudio se aplico 693000 kg de urea. EF = Factor de emisión, ton de carbono/ton de urea. Según el IPCC 128 , este factor de emisión es 0,20 ton carbono/ ton urea que es equivalente al contenido de carbono de la urea, sobre el peso atómico de la misma. Entonces el cálculo quedara así:
ó
693
0,20
ó
,
A continuación se multiplica por 44/12 para convertir las emisiones de CO2–C en CO2, donde 44 corresponde al peso del CO2 y el denominador 12 corresponde al peso del carbono.
ó
126
44 12
ó 0,22 ó
,
44 12
Ibíd., p.11.34.
127
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.13, p.11.34.
128
Ibíd., p.11.34.
78
A continuación se presenta en la Tabla 26, las emisiones generadas en el sector agricultura por la quema de biomasa, las emisiones e indirectas de N2O y las emisiones de CO2 por la aplicación de urea: Tabla 26. Emisiones de GEI del sector agricultura. CATEGORIAS Ó SUBCATEGORIA Quema de Biomasa Directas de N2O Indirectas de N2O Aplicación de Urea TOTAL Fuente: Las autoras.
EMISIÓN (kg) CO2 CH4 N2O CO 2061,612 3,674 0,095 125,193 0,526728 0,169746 508,200 2569,812 3,674 0,792 125,193
3.5.3 Sector desechos. La cuantificación de metano y oxido nitroso en este sector se realiza en la planta de compostaje para el tratamiento biológico de la vinaza, y el tratamiento de aguas residuales generadas proceso productivo del bioetanol. Tratamiento biológico de los desechos sólidos. El tratamiento biológico de las vinazas generadas en la destilación de alcohol carburante es la transformación en compost, este proceso genera emisiones de metano y oxido nitroso, que se calculan mediante la ecuación 3.1.1., el nivel designado para esta categoría es el nivel 1, en el cual se usan factores de emisión por defecto recomendados por el IPCC 2006, ya que para los niveles 2 y 3 se requieren factores de emisión propios del país y Colombia aún no se cuenta con ellos. A continuación se muestra el ejemplo de cálculo para el gas metano. Las pilas de compost están formadas por los residuos cachaza, bagacillo, hoja picada, ceniza, inoculo, y lodos de vinaza, la composición de cada pila y la aplicación de vinaza como se explico anteriormente (ver Tabla 16) Entonces la masa de residuos orgánicos sometidos al tratamiento biológico de compost (Mi), será igual a los residuos que constituyen cada pila y la vinaza aplicada, esta variable se calcula de la siguiente manera: Para 10 pilas de 80 metros de largo, sabiendo que la densidad de la vinaza tiene un valor de 1030 g/L 129 .
129
INGENIO PROVIDENCIA S.A., Informe Diario de Fábrica, Departamento de Calidad de Conformidad en Fábrica, 9 de Septiembre de 2009.
79
10
380
225
10
0,001030
3802,317
y para 11 pilas de 100 metros de largo,
11
420
270
11
0,001030
4623,059
Entonces Mi total será la suma de la cantidad de residuos de las pilas de 80 y 100 metros. 3802,317
4623,059
8425,376
8,4253
Aplicando la ecuación 3.1.1., la emisión de metano es:
10
4
8,4253
,
10
0
De la misma manera se realiza el cálculo para el óxido nitroso, la Tabla 28 muestra los resultados de la emisión de GEI en tratamiento biológico de vinazas. Tratamiento y eliminación de aguas residuales. La cuantificación de metano en el tratamiento de aguas residuales, se realiza por separado para cada sistema de
80
tratamiento del Ingenio Providencia, dentro de los cuales se tiene: PTAR destilería, lagunas de estabilización y piscinas de vinazas. El metano generado en el tratamiento de las aguas residuales del proceso productivo del alcohol carburante, se cuantifica por medio de la ecuación 3.2 y 3.2.1. ECUACIÓN 3.2. EMISIONES TOTALES DE CH4 PROCEDENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (Nivel 1) 130
Donde: = Emisiones de CH4 producidas por el tratamiento y eliminación de aguas residuales, kg. de CH4 TOWi = Total de la materia orgánica degradable contenida en las aguas residuales del sistema de tratamiento i, kg. de DQO. Se obtiene de la Ecuación 3.2.1. i = Sistema de tratamiento. Si = Componente orgánico separado como lodo estabilizado, kg. de DQO. El Ingenio no tiene información sobre las características fisicoquímicas de los lodos estabilizados de los sistemas de tratamiento, por lo que este valor es cero. EFi = Factor de emisión para el sistema de tratamiento i, kg de CH4/kg. de DQO para la vía o sistema(s) de tratamiento y/o eliminación utilizado(s). Se calcula con la Ecuación 3.2.2. Ri = Cantidad de CH4 recuperado, Kg. de CH4. Emisiones de CH4
Al analizar la anterior ecuación (Ver anexo C, numeral 3.2, ecuación 3.2), se puede observar que la DQO del lodo (Si) es una variable que disminuye la producción de metano, puesto que es una resta al valor de la DQO presente en el agua residual (TOWi). Sabiendo que el factor de emisión (EFi) es una relación entre los kilogramos de DQO del agua residual y los kilogramos de CH4 generado, se puede entender que la DQO restada que corresponde a la DQO del lodo (Si), supone una estabilización de esa carga contaminante y por lo tanto no sería generadora de CH4. Para efectos del presente estudio, no se considera Si por falta de datos de la caracterización de lodos en cada sistema de tratamiento y porque al no considerar su DQO, no se está subestimando la generación de CH4 y por el contrario se sobreentiende que toda la carga contaminante es potencialmente generadora de CH4. La materia orgánica degradable total TOW, se calcula con la siguiente ecuación.
130
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 6.4, p.6.22.
81
ECUACIÓN 3.2.1. MATERIA ORGÁNICA DEGRADABLE EN LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (Nivel 1) 131 .
Donde: TOWi = Total de la materia orgánica degradable en las aguas residuales del sistema de tratamiento i, kg. DQO. i = Sistema de tratamiento. P = Producto industrial total, ton. El alcohol carburante producido es 598199,742 L de etanol (ver actividad de distribución en combustión móvil). Wi = Aguas residuales generadas, m3/ton producto. Según CENICAÑA 132 , se generan 3,6 Litros de flegmazas por cada litro de etanol producido y 1,2 litros de vinaza por cada litro de etanol producido 133 . DQOi = Requerimiento químico de oxígeno del afluente kg. DQO/m3. La tabla 13C del ANEXO C muestra la DQO de los afluentes en cada sistema de tratamiento.
A continuación se calcula, el total de la materia orgánica degradable TOW, para el UASB, como se muestra.
598199,74
0,0036 4641,479
2,1553
De la misma forma se calcula para los demás sistemas de tratamiento identificados (ver ANEXO C numeral 3.2, tabla 14C), El factor de emisión EF se calcula con la ecuación 3.2.2.
131
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 6.6, p.6.24.
132
CENICAÑA, Programa de estandarización-Gestión de Fábrica, Intercambio mensual de información –Interingenios duales, Mayo 2009.
133
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Reporte Diario del Proceso de Molienda Fabrica; Gerencia de Fabrica Operación y Mantenimiento. Cali, Mayo 2009. p.1.
82
ECUACIÓN 3.2.2. FACTOR DE EMISION DE CH4 PARA LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES
Donde: = Factor de emisión para cada vía o sistema de tratamiento y/o eliminación, kg. de EFj CH4/Kg. de DQO. j = Cada vía o sistema de tratamiento y/o eliminación Bo = Capacidad máxima de producción de CH4, kg. de CH4/kg. de DQO. Según el IPCC 134 , “si no se dispone de los datos específicos del país, es una buena práctica utilizar para B0 el factor de la DQO por defecto del IPCC (0,25 kg. de CH4/kg. de DQO)”. MCFj = Factor de corrección para el metano (fracción). Según el IPCC 135 , se toman por defecto los factores del cuadro 6.8. Siendo para un reactor anaerobio UASB y para lagunas con profundidad mayor a 2 metros, igual a 0,8 y para la PTAR de la destilería (resto de la planta), se tomo el factor de corrección usado en la segunda comunicación nacional 136 igual a 0,402. Entonces el factor de emisión para el UASB, es: 0,25
0,2
0,8
Así mismo se calcula el factor de emisión para los demás sistemas de tratamiento identificados,(ver ANEXO C, numeral 3.2,tabla 15C).Después de obtener los datos necesarios, se calculan las emisiones de metano en cada sistema de tratamiento. 134
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos- Tratamiento y eliminación de aguas residuales, IPCC, 2006. Vol.5, p.6.23.
135
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos- Tratamiento y eliminación de aguas residuales, IPCC, 2006. Vol.5, Cuadro 6,8, p.6.23.
136
IDEAM. Segunda Comunicación Nacional de Colombia ante la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático- Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero - Años 2000 y 2004:Modulo de Residuos, Bogota D.C., Febrero 2008, p.9.
83
4641,479
0
,
0,2
0
Las emisiones de metano obtenidas del resto de sistemas identificados, se muestran en la Tabla 27. Tabla 27. Emisiones de CH4 de las aguas residuales. SISTEMA DE TRATAMIENTO Emisiones CH4 (kg CH4) UASB 928,295 PTAR Destilería Resto de la Planta 373,165 Lagunas de Estabilización 3251,124 Piscinas de Vinaza 35891,985 A continuación se presenta en la Tabla 28, las emisiones generadas por el tratamiento biológico y tratamiento de aguas residuales del sector. Tabla 28. Emisiones de GEI del sector de desechos. EMISIÓN (ton) SUBCATEGORIA CH4 N2O TRATAMIENTO 33,70 2,528 BIOLOGICO TRATAMIENTO DE 40,445 AGUAS RESIDUALES
84
4
ANALISIS DE RESULTADOS
En este capítulo se muestra el aporte y análisis de GEI en cada sector evaluado por la metodología. Los resultados analizados se obtienen como se indica en el ANEXO C. El resumen de los GEI calculados en el presente estudio se muestra en la Tabla 29, por sectores. Tabla 29. Emisiones de GEI por sectores
OTROS
DESECHOS
AGRICULTURA
ENERGIA
SECTOR
TIPO DE EMISION
VARIABLE
GASES EFECTO INVERNADERO (ton) CO2 CH4 N2O CO 3.318,507 0,949
Emisiones CO2 combustible Emisiones CH4 combustible Emisiones N2O combustible Emisiones CO2 combustible 1.085,357 COMBUSTION MOVIL Emisiones CH4 combustible Emisiones N2O combustible TOTAL (ton GEI) 4.403,86 2.061,612 Lfire CO2 EMISIONES DE GEI A Lfire CO PARTIR DE LA QUEMA DE Lfire CH4 BIOMASA Lfire N2O EMISIONES DIRECTAS DE N2O directas N2O EMISIONES INDIRECTAS DE N2O(ATD) Volat N2O N2O(ATD) Lixiv EMISIONES DE CO2 DE Emisión 508,200 FERTILIZACIÓN CON UREA de CO2 TOTAL (ton GEI) 2.569,81 TRATAMIENTO BIOLOGICO Emisiones de CH4 DE DESECHOS Emisiones de N2O TRATAMIENTO DE AGUAS Emisiones de CH4 RESIDUALES TOTAL (ton GEI) 0,00 COMBUSTION ESTACIONARIA
CO2 DE FERMENTACIÓN (ton)
0,129 0,005 0,011 0,95 0,14 3,674 0,095
0,00 125,194
0,527 0,051 0,119
3,67 0,79 125,19 33,702 2,528 40,445 74,15
2,53
0,00
165,299
TOTAL GEI CICLO DE VIDA DEL ETANOL (ton)
Fuente: Las Autoras.
85
7.138,97 78,775 3,460 125,194
Para determinar la contribución relativa al forzamiento radiativo de los diferentes GEI estudiados, se debe tener en cuenta el potencial de calentamiento global de cada gas en un horizonte de tiempo (ver Tabla 1), de esta manera es posible comparar las emisiones de los diferentes gases al hablar en términos de CO2 equivalente. La Tabla 30 muestra el resumen de los GEI cuantificados en el estudio en unidades de CO2 equivalente en un horizonte de tiempo de 100 años. Tabla 30. Emisiones de CO2 equivalente del CDV del bioetanol % de Participación en % de Participación emisiones totales por sector ENERGIA 4.469,497 43,218 100 Combustión estacionaria 3.380,595 32,688 75,64 Combustión móvil 1.088,902 10,529 24,36 AGRICULTURA 3.100,188 29,977 100 Quema de Caña de azúcar (63 ha) 2.419,720 23,397 78,05 Emisiones directas 156,965 1,518 5,06 Emisiones indirectas 15,303 0,148 0,49 Fertilización con Urea 508,200 4,914 16,39 DESECHOS 2.606,880 25,207 100 Tratamiento biológico 1.595,766 15,430 61,21 Tratamiento de aguas residuales 1.011,114 9,777 38,79 OTROS* 165,299 1,598 100,00 TOTAL 10.341,86 100 Fuente: Las Autoras. * Emisión de CO2 producida en la fermentación del mosto. SECTOR
CO2 equivalente (ton)
La emisión total de GEI expresados como CO2 equivalente en el ciclo de vida del bioetanol es de 10341,86 toneladas, de las cuales 4469,497 toneladas son las aportadas por el sector de energía (siendo éste el más representativo), ya que contribuye con el 43,218% de las emisiones totales del CDV, mientras la fermentación aporta únicamente el 1,6% de ésta. La Gráfica 1, muestra la participación en la emisión total de todos los sectores evaluados.
86
Gráfica 1. Emisiones de CO2 eq en el CDV del bioetanol.
EMISIONES CO2 eq EN EL CDV DEL BIOETANOL 8.000
6.966,48
7.000 6.000
ton de CO2 eq
OTROS 5.000
1,6%
DESECHOS 25,2% AGRICULTURA 30%
4.000 3.000
ENERGIA
1.969,36
2.000
43,2%
1.030,93
1.000
237,86
0 Ton CO2
Ton CH4
Ton N2O
Ton CO
GEI expresados como CO2 eq
A continuación se presenta el resumen de las emisiones estimadas para cada gas y un análisis sobre la importancia de cada sector. 4.1
DIÓXIDO DE CARBONO (CO2)
El dióxido de carbono es el GEI que se genera en mayor cantidad en todos los sectores, la emisión total en el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar de este gas es 7138,975 toneladas de CO2. La contribución a esta emisión por parte de cada sector se muestra en la Gráfica 2.
87
Gráfica 2. Emisiones de dióxido de carbono en el ciclo de vida del Bioetanol
OTROS 2,32%
DESECHOS 0,00%
AGRICULTURA 36,00% ENERGIA 61,69%
El sector energía es el mayor contribuyente de CO2 con 61,69% de la emisión total de este gas, seguido por las emisiones del sector de agricultura. Sector energía: Su aporte es del 4403,87 toneladas de CO2 distribuidas en las dos subcategorías: combustión estacionaria y combustión móvil, con aportes de 3380,59 y 1085,36 toneladas respectivamente. En la combustión estacionaria se considera la quema de bagazo y carbón mineral en las calderas del ingenio, en donde el CO2 emitido por el bagazo tiene gran representatividad, siendo el responsable de 3158,5 toneladas, mientras que la combustión de carbón tan solo produce 152,8 toneladas de CO2. Este hecho se atribuye al porcentaje de uso de los combustibles ya que se relaciona directamente con su valor calórico neto 137 , debido a esto, la alimentación de la caldera se hace con un 96% de bagazo y un 4% de carbón para alcanzar los requerimientos energéticos del proceso, además hay que tener en cuenta que el bagazo es un subproducto de la molienda que se genera en grandes cantidades y que al ser usado como combustible representa beneficios económicos para el ingenio. Sector agricultura: El sector agricultura aporta el 36,03% de la emisión total de CO2 que corresponde a 2569,81 toneladas, distribuidas en quema de biomasa y fertilización con urea, con valores de 2061,61 y 508,2 toneladas respectivamente. La emisión de CO2 producida por la quema previa a la cosecha, se genera debido a que parte del carbono contenido en la parte foliar es emitido a la atmósfera, teniendo en cuenta las características especificas de la variedad CC 85-92. Se sabe que para las 63 hectáreas
137
VCN Bagazo= 18328,88 kJ/kg, VCN carbón mineral= 26160,52 kJ/kg.
88
de estudio, el peso de la parte foliar del cultivo es de 27 toneladas, las mismas que se queman y dan origen al CO2 más representativo del sector. Sector desechos: Este sector no contribuye a las emisiones de CO2 en el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar. Otros: Este aporte se origina por el proceso de fermentación, en el que los productos del proceso son el alcohol y el CO2, con un valor de 165,299 toneladas. 4.2
METANO (CH4)
El metano es el segundo gas en importancia en cuanto se refiere al calentamiento global y pese a que sus emisiones son significativamente menores que las del CO2, estas contribuyen 25 veces más que el de CO2 en un horizonte de tiempo de 100 años 138 . En este estudio las emisiones de CH4 son en total 78,77 Ton, siendo el sector de desechos el mayor contribuyente de esta emisión. Gráfica 3. Emisiones de metano en el ciclo de vida del bioetanol
ENERGIA 1,21%
AGRICULTURA 4,66%
DESECHOS 94,12%
Sector energía: Es el que presenta el menor aporte con el 1,21% de las emisiones de CH4 del ciclo de vida del etanol obtenido de caña de azúcar, que corresponde a 954
138
Forster, P., V. Ramaswamy, P. Artaxo, T. Berntsen, R. Betts, D.W. Fahey, J. Haywood, J. Lean, D.C. Lowe, G. Myhre, J. Nganga, R. Prinn, G. Raga, M. Schulz and R. Van Dorland, 2007: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. TABLE 2.14
89
kilogramos de CH4, de los cuales 949 kilogramos son contribuidos por la combustión estacionaria y tan solo 5 kilogramos por la combustión móvil. Sector agricultura: En este sector las emisiones de CH4 se dan a partir de la quema de biomasa representando el 4,66% de las emisiones totales de este gas, en el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, con un valor de 3,674 toneladas de CH4. Sector desechos: Este sector es el mayor contribuyente de CH4 del estudio, aportando el 94,12% de la emisión total del ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, que equivalen a 74,147 toneladas de CH4. Estas están distribuidas en las categorías de tratamiento biológico de desechos y tratamiento de aguas residuales, con valores de 33,702 y 40,445 toneladas respectivamente. En los dos tratamientos se atribuye la emisión a la acción de bacterias metanogénicas, que en ausencia de oxígeno descomponen la materia orgánica contenida en los desechos y en las aguas residuales generando biogás, compuesto principalmente de metano y gas carbónico. 4.3
ÓXIDO NITROSO (N2O)
Las emisiones de N2O del ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña son en total 3,46 toneladas y son significativamente pequeñas en relación a los demás gases evaluados. La contribución de los sectores se presenta en la Gráfica 4. Gráfica 4. Emisión de óxido nitroso en el ciclo de vida del bioetanol.
ENERGIA 4,05%
DESECHOS 73,06%
90
AGRICULTURA 22,89%
Sector energía: Este sector hace un aporte del 4,05% de las emisiones totales de N2O, que equivalen a 140 kilogramos distribuidos en la combustión estacionaria y la combustión móvil con valores de 129 y 11 kilogramos respectivamente. Sector agricultura: Aporta el 22,89% de las emisiones totales de óxido nitroso del estudio, que corresponden a 792 kilogramos. La fuente generadora más representativa dentro de este sector es emisión directa de óxido nitroso por la aplicación de fertilizantes al cultivo, así como lo muestra la Tabla 31. Tabla 31. Emisiones de óxido nitroso en el sector agricultura. CATEGORÍA/SUBCATEGORIA Toneladas de Participación en el GENERADORA DE N2O N2O sector agricultura Quema de biomasa 0,095 11,995% EMISIONES DIRECTAS DE N2O 0,527 66,54% EMISIONES INDIRECTAS DE N2O 0,17 21,46% TOTAL 0,792 100% Fuente: Las Autoras. Sector desechos: Finalmente el mayor contribuyente, es este sector con el 73,06% que equivale a 2,53 toneladas de este gas, en el tratamiento biológico de desechos, debido a la masa de desechos sometido a compost es 8425 toneladas en donde se producen 0,3 gramos de óxido nitroso por cada kilogramo de desecho tratado, el factor de emisión con el mayor valor en la cuantificación de óxido nitroso del estudio. 4.4
MONÓXIDO DE CARBONO (CO)
Las emisiones de monóxido de carbono CO, en el ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, son provocadas por la quema de biomasa del sector agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra, siendo estas 125,19 toneladas de CO.
91
5
MITIGACION A LA EMISIÓN DE GEI
Los cambios y reemplazos tecnológicos que reducen el insumo de recursos y las emisiones de GEI por unidad de producción, se denomina mitigación. En el presente estudio se establecen alternativas de mitigación para las actividades que generan mayores contribuciones. Las emisiones de GEI más representativas del estudio, expresadas como CO2 equivalente, se presentan en la Gráfica 5. Gráfica 5. Emisiones de CO2 equivalente por actividad en el ciclo de vida del bioetanol.
EMISIÓN DE CO2 eq POR ACTIVIDAD 1,6%
CO2 en la fermentación
9,8%
Tratamiento de aguas residuales
15,4%
Tratamiento biológico 4,9%
Fertilización con Urea 0,1%
Volatilización de compuestos de N
1,5%
Uso de fertilizantes
23,4%
Quema de Caña de azúcar 10,5%
Combustión móvil
32,7%
Combustión estacionaria 0
1000 ton CO2 eq
2000
3000
Las actividades que presentan mayores aportes de emisiones son la combustión estacionaria (32,7%), la quema de caña de azúcar (23,4%) y el tratamiento biológico de desechos (15,4%), a estas principalmente se proponen alternativas de mitigación con base en los principios de producción más limpia (PML). Las estrategias de producción más limpia promueven acciones preventivas para la protección del medio ambiente en las empresas. De acuerdo con el PNUMA 139 , la Producción Más Limpia es la aplicación continua a los procesos, productos, y servicios, de una estrategia integrada y preventiva, con el fin de incrementar la eficiencia en todos los procesos, y reducir los riesgos sobre los seres humanos y el medio ambiente. A continuación se describe las alternativas de PML en cada una de las actividades con
139
CENTRO NACIONAL DE PRODUCCIÓN MAS LIMPÍA, Manual de Introducción a la producción mas limpia de las industrias, Bogotá, p. 7.
92
mayores emisiones identificadas. Además se calcula el potencial de mitigación* de las alternativas. 5.1
MITIGACIÓN EN LA COMBUSTIÓN ESTACIONARIA
Esta actividad es la mayor generadora de GEI, siendo la responsable del 32,7% de la emisión total del ciclo de vida del estudio, correspondiente a 3380,6 toneladas de CO2 equivalente. Estos aportes son generados en su mayoría en las calderas del ingenio, en las cuales se quema bagazo y carbón (alimentación de 96.5% y 3,5% respectivamente) para satisfacer los requerimientos energéticos de la producción. La emisión de CO2 producida por la combustión del bagazo representa el 95,38% de la emisión total de este gas en las calderas, mientras que las emisiones producidas por la quema del carbón, tan solo aportan el 4,62% restante. Por lo que el análisis de las alternativas de PML para la reducción de GEI se presenta en la Tabla 32. Según el IPCC 1996 140 , el gas natural es el que produce menos emisiones de CO2 por unidad de energía de todos los combustibles fósiles, con unos 15 kg C/GJ, frente a unos 20 kg C/GJ en el caso del petróleo, y unos 25 kg C/GJ en el del carbón, además presenta un VCN 141 de 47,31 TJ/Gg mayor que el bagazo y el carbón, por lo tanto técnicamente es una buena alternativa de mitigación para este estudio. 5.1.1 Potencial de mitigación de las alternativas planteadas en las calderas. El cambio de combustible (gas natural) que alimenta las calderas tiene un potencial de mitigación de 97,36% respecto a la emisión de CO2 equivalente generada en las calderas. Si se implementa un sistema de control el potencial de mitigación esta en 90% y mejorando la condiciones de combustión de la caldera el potencial de mitigación esta alrededor de 55% 142 .
140
IPCC. Tecnologías, políticas y medidas para mitigar el cambio climático, Banco mundial Servicios Meteorológicos de Zimbabwe, Battelle Pacific Northwest National Laboratory, 1996, p.43.
141
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Energía Combustión Estacionaria, IPCC, 2006. Vol.2, Cuadro 1.2, p.1.19. * Responde al propósito de evaluar la escala de las reducciones de GEI que se podrían conseguir, respecto de los valores de emisión de referencia. En el contexto de la mitigación del cambio climático, grado de mitigación que podría conseguirse (pero que aún no se ha alcanzado) con el paso del tiempo.
142
Calculados teniendo en cuenta los potenciales de mitigación en: IPCC. Tecnologías, políticas y medidas para mitigar el cambio climático, Banco mundial Servicios Meteorológicos de Zimbabwe, Battelle Pacific Northwest National Laboratory, 1996, p.46.
93
5.2
MITIGACIÓN EN LA QUEMA DE CAÑA DE AZÚCAR (PRECOSECHA)
La quema precosecha de caña de azúcar genera un aporte de 23,4% de emisiones de GEI expresadas como CO2 equivalente. Esta práctica se realiza con el fin de concentrar la sacarosa en la caña, facilitar el corte tras disminuir la parte foliar de la planta y eliminar malezas, sin embargo la emisión de GEI por esta actividad es en total 2.419,720 toneladas expresadas como CO2 equivalente, que ocupan el segundo lugar de representatividad en las emisiones del estudio. La Tabla 33 muestra las alternativas de producción más limpia (PML) para la reducción de GEI producidos por esta actividad. La cosecha en verde implica un cambio de procedimiento en el corte de la caña (manual o mecánica) y un aumento de residuos en campo, “no obstante su incorporación al suelo trae beneficios, ya que disminuye la emisión de contaminantes atmosféricos, mejora la estructura de los suelos y su fertilidad, se requiere menos agua y aplicación de herbicidas en la etapa inicial de crecimiento del cultivo que se traduciría en mayor rendimiento de azúcar” 143 .La cosecha en verde requiere variedades erectas de buen deshoje y con alto contenido de sacarosa, según CENICAÑA 144 la variedad CC 85-92 cosechada mecánicamente mostro un rendimiento de 60% más alto que otras variedades sembradas. Además esta práctica, representa importantes beneficios sociales, por la generación de empleo directo e indirecto en la zona. Por lo anterior se sugiere a la guía ambiental del subsector de caña de azúcar, incentivar mejores prácticas agrícolas como el corte y recolección en verde, en donde no se realiza la quema programada del cultivo e incorporando los residuos agrícolas a los suelos del cultivo. Cabe resaltar que por disposiciones ambientales de la CVC, esta práctica es realizada actualmente en las áreas perimetrales a las zonas urbanas, donde están restringidas quemas precosecha, según las disposiciones de la resolución 532 del 26 de abril de 2005. 5.2.1 Potencial de mitigación de las alternativas planteadas para la quema precosecha. El corte en verde de caña de azúcar, representa un potencial de mitigación del 78,05% de la emisión de CO2 equivalente generada en el cultivo.
143
AMAYA ESTÉVEZ, Álvaro; COCK James H.; HERNÁNDEZ Ana del Pilar y IRVINE James E. El Cultivo de la Caña de Azúcar en la Zona Azucarera de Colombia: Manejo de la caña para la cosecha en estado verde. CENICAÑA, Cali, 1995. p.365.
144
Ibíd., p.366.
94
Tabla 32. Alternativas de mitigación de GEI en la combustión de fuentes estacionarias. SITUACIÓN ACTUAL
Generación de GEI por la combustión de bagazo y carbón
ALTERNATIVA
Sustituir el bagazo por un combustible más eficiente en términos energéticos y ambientales. (gas 145 natural)
TIPO DE ESTRATEGIA
Cambio de combustible
Cambio de porcentajes de Cambio en alimentación a la procedimiento caldera
IMPLICACIÓN TÉCNICA
ECONÓMICA
AMBIENTAL
DESVENTAJAS
RECOMENDACIONES
Puede tener una consecuencia Disminución Incremento de económica, ya que el de costos en Minimización la eficiencia bagazo es un sistemas de del impacto energética y subproducto que dejaría tratamiento ambiental disminución de usarse y a cambio el de generado por de la emisión gas natural debería emisiones los GEI de GEI adquirirse. atmosféricas Saturación de bagazo en las instalaciones.
Si el bagazo es sustituido por gas natural tendrá que evaluarse la viabilidad de esta acción, teniendo en cuenta el ciclo del carbono y adicionalmente hacer una gestión ambientalmente sostenible del bagazo. Evaluar la posibilidad de conexión a la red de gas natural de la zona.
Aumento de costos en la adquisición del Minimización carbón. Disminución del impacto Saturación económica de costos de ambiental en las instalaciones. ineficiencia generado por Pérdidas económicas ambiental los GEI por el desaprovechamiento de bagazo.
Evaluar la viabilidad de cambio de porcentajes de combustibles en las calderas. Implementar un plan de gestión ambiental para el bagazo que no sea usado.
Disminución de la emisión de GEI e incremento de la eficiencia energética
145
United Nations Framework Convention on Climate Change- UNFCCC. Approved baseline methodology AM0014:Natural gas-based package cogeneration, CDM – Executive Board, version 04.
95
SITUACIÓN ACTUAL
Generación de GEI por la combustión de bagazo y carbón
ALTERNATIVA Construcción e implementación de un sistema de control de emisiones atmosféricas que capten los GEI antes de ser emitidos a la atmósfera
Mejorar las condiciones internas de las calderas 146
TIPO DE ESTRATEGIA
Mejora tecnológica
Buena práctica
IMPLICACIÓN TÉCNICA
Disminución de la emisión de GEI.
ECONÓMICA
AMBIENTAL
Disminución de costos de ineficiencia ambiental
Minimización del impacto ambiental generado por los GEI
Incremento en la eficiencia Disminución Minimización de de costos del impacto combustión y por la ambiental por ende, compra de generado por mejora de la combustible. los GEI eficiencia energética
DESVENTAJAS
RECOMENDACIONES
Alta inversión económica
Implementar un sistema que no solo retenga los GEI sino que sea capaz de retener otros contaminantes asociados a la combustión, por ejemplo PM10, partículas, neblinas ácidas, etc.
Inversión económica
Estudiar y determinar las condiciones óptimas de las calderas teniendo en cuenta el oxígeno de la reacción, mediante parámetros como humedad relativa, temperatura, presión real y presión de vapor.
Fuente: Información de UNFCCC 147 adaptada por Las Autoras, 2009.
147
United Nations Framework Convention on Climate Change- UNFCCC. Approved baseline methodology AM0018: Baseline methodology for steam optimization systems, CDM – Executive Board, version 02.2.
96
5.3
MITIGACIÓN EN EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE DESECHOS
El tratamiento biológico de desechos es el tercer contribuyente de las emisiones de GEI del estudio con 1.595,766 toneladas expresadas como CO2 equivalente. Esta emisión es provocada en el compostaje de algunos subproductos del proceso de fabricación de etanol (ver Capitulo 5, numeral 5.3.1.). Su principal contribuyente es el gas metano quien aporta el 52,79% (842,538 ton CO2 eq) de la emisión de CO2 equivalente en la planta de compostaje. La alternativa de mitigación propuesta es la implementación de un sistema de captura de metano, para su posterior aprovechamiento energético, sin embargo este gas se emite en mayor cantidad en el tratamiento de aguas residuales (1011,114 ton CO2 eq), por lo que esta alternativa también se propone para dicho sistema. La implementación implica la construcción y la inducción a condiciones anaerobias de los materiales degradados, para potencializar la producción de metano en cada uno. Las alternativas de producción más limpia (PML) para la de GEI producidos por esta actividad se muestran en la Tabla 33. 5.3.1 Potencial de mitigación de las alternativas planteadas en el tratamiento de desechos. La implementación de un sistema de captura de metano en la planta de compostaje tiene un potencial de mitigación de 52,79% de la emisión de CO2 eq en la planta de compostaje; y en el sistema de tratamiento 38,79% de la emisión de CO2 eq generada por los sistemas de tratamiento de aguas residuales.
97
Tabla 33. Alternativas de mitigación de GEI en la quema precosecha de caña y tratamiento de desechos. SITUACIÓN TIPO DE IMPLICACIÓN ALTERNATIVA DESVENTAJAS ACTUAL ESTRATEGIA TÉCNICA ECONÓMICA AMBIENTAL ‐
Disminución Generación de la emisión de GEI por la de GEI , Corte y recolección quema Cambio en mejoramiento en verde de la precosecha procedimiento de suelos y caña de azúcar de caña de generación de azúcar empleo directo
‐ Disminución de costos de ineficiencia ambiental
Minimización del impacto ambiental ‐ generado por los GEI
‐
Generación de GEI por el tratamiento biológico de desechos
Construcción e implementación de un sistema de captura de metano 148 .
Mejora tecnológica
Disminución de la emisión de GEI y nueva fuente de obtención de energía
Disminución de costos por la compra de combustibles
Minimización ‐ del impacto ambiental generado por los GEI
RECOMENDACIONES
Inversión económica constante en mano de obra. Aumento de riesgos laborales por la propiedad cortante de la parte foliar de la caña. Creación de posibles impactos alternos, al tener que aplicar madurantes para concentrar la sacarosa. Cambio en algunas labores de cultivo.
Evaluar la viabilidad ambiental del uso del madurante, considerando otros aspectos ambientales diferentes a los GEI.
Inversión económica en la construcción e implementación del sistema.
Evaluar la viabilidad económica de la alternativa, teniendo en cuenta la producción promedio del gas.
Fuente: Información de UNFCCC148 adaptada por Las Autoras, 2009.
148
United Nations Framework Convention on Climate Change- UNFCCC. Approved baseline methodology AM0025: Avoided emissions from organic waste through alternative waste treatment processes, CDM – Executive Board, version 11. Y Consolidated baseline methodology for GHG emission reductions from manure management systems, CDM – Executive Board, version 02.
98
6
CONCLUSIONES
Del estudio para la cuantificación de GEI en el ciclo de vida del etanol, obtenido de la cosecha de 63 hectáreas de caña de azúcar variedad CC 85-92 en el INGENIO PROVIDENCIA S.A. ubicado en el municipio de Cerrito, Valle del Cauca se concluye que: Las emisiones de gases efecto invernadero producidas en el ciclo de vida del etanol, expresadas en CO2 equivalente, tienen un valor de 10341,86 toneladas, es decir, 0,017 toneladas de CO2 equivalente por litro de etanol vendido. La emisión de dióxido de carbono es de 7131,781 toneladas de CO2, siendo este el gas de mayor generación en el estudio. Por otro lado, las emisiones de metano y de óxido nitroso son de 78,775 y 3,46 toneladas respectivamente. Finalmente, se determinó que la emisión de monóxido de carbono es de 125,19 toneladas. La emisión de GEI por el uso de combustibles dentro del ciclo de vida del etanol es de 4469,49 toneladas expresadas como CO2 equivalente, que corresponden a las fuentes de combustión estacionaria y móvil. En la combustión estacionaria se identificó el uso de bagazo, carbón (calderas) y biodiesel (planta eléctrica del modulo de riego), con un aporte de 75,69% de la emisión total de CO2 equivalente del sector y en la combustión móvil se identificó el consumo de biodiesel en los tractores agrícolas de las diferentes etapas y en el transporte de bioetanol al distribuidor mayorista y minorista y la quema del bioetanol producido en el área de estudio, siendo la combustión móvil la responsable del 24,36% de la emisión total de CO2 equivalente en el sector. La emisión de GEI producida por el uso y gestión de las tierras del cultivo es de 3100,188 toneladas expresadas como CO2 equivalente, de las cuales el 78,05% es aportado por la quema precosecha del cultivo, 16,39% por la aplicación de urea y 5,06% y 0,49% corresponden a las emisiones directas e indirectas respectivamente por el uso de fertilizantes, es decir que se emiten 49,20 toneladas de CO2 equivalente por hectárea cosechada. En el sector desechos, la emisión es de 2606,88 toneladas de GEI expresadas como CO2 equivalente, donde el 61,21% de ésta, es generada por el tratamiento biológico de las vinazas y el 38,79% es aportado por el tratamiento de aguas residuales del ingenio, es decir que se emite 0,189 toneladas de CO2 equivalente por cada tonelada de material compostado y 0,47 toneladas de CO2 equivalente por cada metro cubico de agua residual tratada.
99
En la fermentación del alcohol carburante, se emiten 165,29 toneladas de CO2 equivalente, emisión que corresponde al 1,5 % de las emisiones equivalentes totales del estudio. Las alternativas de mitigación de GEI se enfocan en aquellas actividades que presentan el mayor potencial de emisión y son planteadas en el capítulo 8, sin embargo éstas deben someterse a valoración técnica y económica del Ingenio. Los resultados de la presente investigación contemplan todas las emisiones de GEI provenientes del ciclo de vida del etanol en el área de estudio, sin tener en cuenta los procesos de absorción que tengan lugar en el mismo, por lo que la cuantificación neta tendrá que hacerse con un balance entre sus emisiones y absorciones. La cuantificación de GEI en el ciclo de vida del etanol del presente trabajo se considera como un estudio piloto, debido a que se enfoca el estudio a una sola variedad de caña y a que la información recopilada correspondía a un solo mes de producción, razones que redujeron la representatividad del mismo. También se obvió el módulo de incertidumbres que aconseja la metodología del IPCC 2006, ya que los datos, y en general el nivel de detalle, no permitía el cálculo de la incertidumbre de las emisiones de GEI obtenidas. Las emisiones de GEI encontradas en el presente estudio son comparables con información de producción, solo si se tiene en cuenta que la variedad de caña de azúcar que sirva como materia prima sea la CC 85 92, de lo contrario, no son comparables y deberá realizarse el mismo ejercicio que se llevó a cabo en el presente estudio para otras variedades.
100
7 •
•
• •
• •
•
RECOMENDACIONES
A la guía ambiental del subsector de la caña de azúcar y especialmente el INGENIO PROVIDENCIA S.A. incentivar el mecanismo de cosecha en verde, en donde no se realiza la quema programada, con lo cual se disminuiría en un 23,4% las emisiones de GEI en el ciclo de vida del etanol obtenido de caña de azúcar. Al INGENIO PROVIDENCIA S.A. estudiar la viabilidad de implementar un sistema de captura y uso de metano (CH4) en los sistemas de tratamiento de aguas residuales y la planta de compostaje, ya que es el segundo gas de mayor contribución en el ciclo de vida del bioetanol de caña de azúcar del caso de estudio. Realizar la cuantificación de GEI para otras variedades de caña y para otros ingenios y así obtener una visión más amplia del sector, además cuantificar la absorción de dióxido de carbono en el crecimiento del cultivo. Realizar el análisis del contenido de carbono en el suelo, con el fin de determinar las pérdidas por el cambio de variedades de caña de azúcar, incluso cuando no hayan existido cambios en el uso de la tierra, es decir, así se mantenga el mismo cultivo durante 20 o más años. Ampliar los límites del análisis del ciclo de vida, de manera que se incluya dentro de la cuantificación, los procesos de fabricación de los insumos que intervienen, tales como los agroquímicos y los combustibles fósiles. Considerar la mano de obra, es decir, al personal que interviene en el ciclo de vida, como una fuente potencial de generación de GEI teniendo en cuenta la producción de aguas residuales domésticas y residuos y por lo tanto adicionar esta fuente a la cuantificación. Comparar el balance de GEI del ciclo de vida del bioetanol obtenido de caña de azúcar, con el balance de GEI del ciclo de vida de combustibles fósiles y así determinar la viabilidad ambiental de este biocombustible.
101
BIBLIOGRAFIA Academia Colombia de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Inventario preliminar de gases efecto invernadero: Colombia 1990, Bogotá: Agencia de Cooperación Técnica Alemana al Desarrollo (GTZ), 1990, p.5.),
AGROCAB. Ficha técnica, 2008
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________. ________, Cali, CENICAÑA, 2002. p.50.
________. ________, Cali, CENICAÑA, 2002. p.9.
________. ________, Cali, CENICAÑA, 2002. p.3.
106
ANEXO A DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE AZÚCAR Y ANEXO B. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE DESTILACIÓN
107
ANEXO C
CÁLCULOS PARA LA CUANTIFICACIÓN DE GEI
Los cálculos para la cuantificación de GEI, del ciclo de vida del bioetanol, del presente estudio, se muestran por sectores a continuación: 1
1.1
SECTOR ENERGIA
COMBUSTIÓN ESTACIONARIA
Las emisiones de GEI generadas por las calderas del Ingenio Providencia S.A. y el modulo de riego del cultivo, se cuantifican mediante la ecuación 1.1. ECUACIÓN 1.1. EMISIONES DE GEI PROCEDENTES DE LA COMBUSTIÓN ESTACIONARIA (Nivel 1) 1
ó
,
Donde: EmisionesGEI =Emisiones de un GEI dado por tipo de combustible (kg GEI) Consumo combustiblecombustible = Cantidad de combustible quemado (Tj) Factor de emisiónGEI,combustible = Factor de emisión por defecto de un gas efecto invernadero dado por tipo de combustible (kg GEI/Tj). Combustión estacionaria en las calderas del ingenio. El consumo de combustible (Consumo combustiblecombustible ) de las calderas se cálculo de la siguiente manera: En el informe diario de fábrica 2 del mes de mayo el consumo promedio diario de bagazo y de carbón es, 2002 y 71 toneladas respectivamente, para una molienda promedio de 9169 toneladas/dia, entonces la relación entre el consumo de los combustibles y la molienda es: ñ
í
2002 9169
0,2183 ñ
1
Adaptado de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Energía Combustión Estacionaria, IPCC, 2006. Vol.2, Ecuación 2.1, p 2.11. 2
Ingenio Providencia S.A., Gerencia de Fabrica operación y mantenimiento, Reporte diario proceso de molienda fabrica, Mayo 2009, p.1.
ñ
71 9169
ó
í
ó
0,0077 ñ
ó
Además la variedad CC 85-92 produce 125,3 toneladas de caña por hectárea 3 , entonces en el área de estudio (63 ha) se obtendrán: 125,3
ñ
63
7893,9
ñ
Entonces el consumo de combustible en las calderas para la generación de energía en el Ingenio Providencia S.A. será: 0,2183 ñ
7893,9 ,
ñ
De las cuales 946,47 Ton de bagazo proceden de la molienda de la caña obtenida del área de estudio (63 ha), sabiendo que el contenido de fibra de la variedad CC 85-92 es 11,99% 4 .
ó
0,0077 ñ
ó
ó ,
7893,9
ñ
ó
Para computar el consumo de combustible en la ecuación 1.1., es necesario convertir los consumos de combustible a unidades energéticas (Tj) se multiplica el consumo de combustible hallado por el valor calorífico neto (VCN) del combustible. En el análisis de emisiones del Ingenio Providencia 5 el bagazo tiene un VCN de 7880 btu/lb y el carbón mineral 11247 btu/lb, sabiendo que un Btu/lb = 2.326 kJ/kg 6 , 2,326
7880
1 ,
1 1000.000.000
/
3
CARBONELL, J.; AMAYA, A.; ORTIZ, B; TORRES, J.; QUINTERO, R. e ISAACS, C. Zonificación agroecológica para el 3 cultivo de la caña de azúcar en el valle del rio Cauca. Tercera aproximación. Cali, CENICAÑA, 2001, o.39-40. Citado por: VICTORIA K., Jorge. et al, 2002, p.30. 4
Ibíd., Cuadro 19. p.55.
5
Ingenio Providencia S.A., Estudio De Emisiones Atmosféricas Calderas 1 – 2 - 3, Informe final, Tabla 43. Cali, Marzo 2009, p.37. 6
CENGEL, Yunus A. y BOLES. Michael A. Termodinámica, Mc Graw Hill, cuarta edición, Factores de Conversión, 2003.
2,326
11247 ó
1 1000.000.000
1 ,
ó
/
Y el consumo de combustible en TJ es:
1723,238
1000 1
ó
60,783
,
,
ó
1,8329 10
1000 1
ó
2,61 10
Los factores de emisión de los GEI cuantificables tomados por defecto del IPCC, para el bagazo y el carbón se muestran en la Tabla 1C. Tabla 1C. Factores de Emisión de GEI para los combustibles usados en las calderas. Factor de emisiónGEI,combustible 7 (kg GEI/TJ) CO2 100000 BAGAZO CH4 30 N2O 4 CO2 96100 CARBÓN MINERAL BITUMINOSO CH4 300 N2O 1,5 Fuente: IPCC, 2006 COMBUSTIBLE
GEI
Entonces las emisiones de GEI de la combustión de bagazo en las calderas, son:
31,585
ó
100000
31,585 ,
7
,
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Energía Combustión Estacionaria, IPCC, 2006. Vol.2, Cuadro 2.2, p.2.17.
31,585
31,585
ó
4
31,585
,
,
ó
30
31,585 ,
,
Y para la combustión de carbón se calcula de la misma manera, los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 2C. Tabla 2C. Emisiones de GEI en la combustión de Carbón. COMBUSTIBLE
GEI CO2 CH4 N2O
CARBÓN MINERAL BITUMINOSO
EmisionesGEI (kg GEI) 152810, 128 477,035 2,385
Módulo de Riego del cultivo. Para satisfacer el requerimiento hídrico del cultivo del área de estudio (63 ha), se emplea un módulo de riego compuesto por una bomba centrífuga, el cálculo de la energía demandada, se desarrolló con la ayuda del experto Milton Saza, Ingeniero Agrícola especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente, así: La potencia de un modulo de riego se calcula usando la siguiente ecuación:
Donde: γ Q Hdin
8
= Peso especifico del agua, 9800 N/m3. = Caudal de riego, m3/s, Según experto 8 , este valor en promedio es 0,1 m3/s, para el cultivo de la caña en el Valle del Cauca. = Es la diferencia de niveles entre el punto de succión y el punto de distribución de agua. Según experto 9 , se determina sumando la altura dinámica (40 m.c.a.), las
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009.
n
pérdidas por fricción en la conducción y aditamentos (10 m.c.a.) y las pérdidas por operación del modulo (10 m.c.a.) = Eficiencia de la bomba, fracción. Según experto 10 , la eficiencia para una bomba de este tipo varía entre 65 y 75 %, sugiere tomar 75%.
Entonces la potencia de la bomba a usar es:
9800
0,1
78400 ·
60 . . .
0,75 78400
La bomba requerida para este modulo de riego es de 78,4 KW o 105 HP, con el fin de determinar la energía requerida por la bomba se considera que se aplica riego 20 días durante 18 horas, entonces la energía requerida será:
78,40
20
18
28224
Y en Terajoule,
28224
1 3600 1000.000.000 1 0,101606
Esta energía requerida para la aplicación de riego del cultivo, es obtenida generalmente de la combustión de biodiesel en una planta eléctrica, los factores de emisión para este combustible según el IPCC 11 , son: Tabla 3C. Factores de Emisión de GEI para el biodiesel COMBUSTIBLE
GEI
BIODIESEL
CO2 CH4
Factor de emisiónGEI,combustible (kg GEI/TJ). 70800 3
9
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009. 10
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009. 11
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Energía Combustión Estacionaria, IPCC, 2006. Vol.2, Cuadro 2.2, p.2,17
N2O 0,6 Fuente: IPCC, 2006. Las emisiones producidas por la combustión de Biodiesel en la planta eléctrica son: 0,1016 0,1016
70800
,
0,1016
3
0,1016 ,
0,1016
1.2
,
ó
,
ó
,
0,6
0,1016 ,
ó
COMBUSTIÓN MOVIL
Las fuentes móviles que aportan emisiones de GEI al ciclo de vida, se encuentran en las etapas de cultivo, cosecha, destilación, distribución y uso. Para la cuantificación de éstas se usa la Ecuación 1.2. ECUACIÓN 1.2. EMISIONES DEL TRANSPORTE TERRESTRE. (Nivel 1) 12 ó
Donde: EmisiónTransporte terrestre = Emisiones de GEI provenientes del transporte, kg GEI Consumo de combustibleact = Combustible vendido que se quema en la combustión del transporte terrestre por actividad, Tj. EF = Factor de emisión de GEI, kg/Tj. a = Tipo de combustible. La cuantificación de GEI generados en el ciclo de vida por combustión móvil del transporte terrestre, se presenta en cada una de las etapas, como sigue: 12
Adaptado de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Energía Combustión Estacionaria, IPCC, 2006. Vol.2, Ecuación3. 2.1, p 3.12.
1.2.1 Cultivo. En esta etapa se encuentran las labores agrícolas de subsolado, arado, rastrillado, surcado y fertilización, las cuales se realizan con el uso de tractores a los cuales se acoplan diferentes herramientas, para determinar el uso de combustible se acude a la información disponible de los proveedores de maquinaria agrícola. Suponiendo que el área es cuadrada y tiene un ancho de 793,8 metros y un largo de 793,7 metros y conociendo las características de las labores agrícolas, se calcula la distancia total del recorrido que realiza el tractor, como se muestra a continuación: Subsolado: El subsolador MARCHESAN AST 9/5 tiene un ancho útil de 2 metros 13 , esta actividad se realiza en dos pases por el terreno, entonces la distancia recorrida será:
793,8 2
2
793,8
Entonces la distancia total recorrida en el subsolado en km, es:
1000 793,8
793,8 1000
630,1
Según la ficha técnica del subsolador MARCHESAN AST 9/5, se requiere de un tractor con una potencia de 100 a 150 hp, para lo cual se selecciona el tractor VALTRA BM125i 4x4, que tiene una potencia de 142 hp y consume 1,8 galones de Biodiesel por hora 14 , además la velocidad aproximada de operación en la labor del subsolado es de 6 km/h 15 . Entonces el consumo de combustible en la labor de subsolado del terreno, del área de estudio es:
13
ó
TATU MARCHESAN, Manual de instrucciones AST; Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
14
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
15
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009.
630,1 6 /
1,8
189,03
/
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 16 , la conversión a kilogramos es:
189,03
0,9158
3,7854 1
655,304
Y en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 17 , así:
655,30
0,000037
0,02424
Arado: La herramienta para el arado INAMEC ACP-5, tiene un acho de trabajo de 2,25 metros 18 , esta actividad se realiza en un pase por el terreno, entonces la distancia recorrida será:
793,8 2,25
1
352,8
Entonces la distancia total recorrida en el arado en km, es:
1000
352,8
793,8 1000
16
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
17
Ibid,.
18
INAMEC, Industria Agrícola Matalmecanica. Arado de Cincel Parabólico Serie ACP con Alerones Cortadores. Ficha Técnica. Bogotá Colombia, 2009
280,05
Según la ficha técnica de arado INAMEC ACP-5, se requiere de un tractor con una potencia de 200 a 375 hp, para lo cual se selecciona el tractor VALTRA BH205i 4x4, que tiene una potencia de 242 hp y consume 4,2 galones de Biodiesel por hora 19 , además la velocidad aproximada de operación en la labor de arado es de 7,5 km/h 20 . Entonces el consumo de combustible en el arado del área de estudio es:
280,05 7,5 /
ó
156,82
4,2
/
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel es 0,9158 kg/L 21 , la conversión a kilogramos es:
156,82
0,9158
3,7854 1
543,643
Y en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 22 , así:
543,64
0,000037
0,02011
Rastrillado: Para esta actividad agrícola se usa un rastrillo pulidor de disco MONTANA T360 de tiro plegable, el cual tiene un acho de trabajo de 5,6 metros 23 , esta actividad se realiza en dos pases por el terreno. Finalmente la distancia recorrida será: 19
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
20
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009. 21
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
22
Ibid,.
23
Maquinaria Montana LTDA. Manual de Funcionamiento Rastrillo Pulidor de Discos, Bogotá D.C., 2008
793,8 5,6
2
283,5
Entonces la distancia total recorrida en el rastrillado en km, es:
1000 283,5
793,8 1000
225,04
Según la ficha técnica del rastrillo pulidor de disco MONTANA T360 de tiro plegable, se requiere de un tractor con una potencia de 220 a 475 hp, para lo cual se selecciona el tractor VALTRA BM125i 4x4, que tiene una potencia de 142 hp y consume 1,8 galones de biodiesel por hora 24 , además la velocidad aproximada de operación es de 7,5 km/h en la labor de rastrillado 25 . Entonces el consumo de combustible en el rastrillado del área de estudio es:
ó 225,04 7,5 /
54,010
1,8
/
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel es 0,9158 kg/L 26 , la conversión a kilogramos es:
54,01
24
3,7854 1
0,9158
187,234
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
25
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009. 26
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
Y para saber el valor equivalente en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 27 , así:
187,23
0,000037
0,00692
Surcado: Se usa una herramienta surcadora INAMEC VCM-3, la cual tiene un acho de trabajo de 2,1 metros 28 , esta actividad se realiza en dos pases por el terreno, entonces la distancia recorrida será:
793,8 2,1
2
756
Entonces la distancia total recorrida en el surcado en km, es:
1000 756
793,8 1000
600,12
Según la ficha técnica de la surcadora INAMEC VCM-3, se requiere de un tractor con una potencia de 120 a 150 hp, para lo cual se selecciona el tractor VALTRA BM125i 4x4, que tiene una potencia de 142 hp y consume 1,8 galones de biodiesel por hora 29 , además la velocidad aproximada de operación es de 4 km/h en la labor de surcado 30 . Entonces el consumo de combustible en el surcado del área de estudio es:
ó
27
Ibid,.
28
INAMEC, Industria Agrícola Matalmecanica. Surcadora Multipropósito Serie VCM. Ficha Técnica. Bogotá Colombia, 2009.
29
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
30
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009.
600,12 4 /
1,8
270,05
/
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 31 , la conversión a kilogramos es:
270,05
0,9158
3,7854 1
936,174
Y para saber su equivalencia en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 32 , así:
936,17
0,000037
0,03463
Fertilización: Esta actividad se hace por medio de tolvas abonadoras INAMEC RNP- 4 acopladas a un tractor, la cual tiene un acho de trabajo de 2,4 metros 33 , esta actividad se realizó en 11 pases, entonces la distancia recorrida será:
793,8 2,4
11
3638,25
Entonces la distancia total recorrida en la fertilización en km, es:
1000
3638,25 793,8 1000
31
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
32
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
33
INAMEC, Industria Agrícola Metalmecánica. Surcadora Multipropósito Serie VCM. Ficha Técnica. Bogotá Colombia, 2009
2888,042
Entonces para la ejecución de esta labor se requiere de un tractor con una potencia entre 120 a 150 hp, para lo cual se selecciona el tractor VALTRA BM125i 4x4, que tiene una potencia de 142 hp y consume 1,8 galones de combustible Biodiesel por hora 34 , además la velocidad aproximada de operación es de 4 km/h para las labores de fertilización 35 . Entonces el consumo de combustible en la fertilización del área de estudio es:
ó
2888,042 4 /
1299,61
1,8
/
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel es 0,9158 kg/L 36 , la conversión a kilogramos es:
1299,61
3,7854 1
0,9158
4505,318
Y en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 37 , así:
4505,32
0,000037
0,1666
1.2.2 Cosecha: En esta etapa se hace uso de tractores para realizar las actividades de alce y transporte de la caña, el consumo de combustible en cada una se presenta a continuación: Alce: La variedad CC 85-92 cultivada en el área de estudio, tiene un rendimiento de 125,3 ton/ha (TCH), entonces la cantidad de caña a recoger en el área de estudio (63 ha), será:
34
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
35
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009. 36
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
37
Ibid,.
ñ
125,3
ñ
63
7893,9
Esta labor se ejecuta con una alzadora JHON DEERE 1850 que cuenta con un motor de 110 HP, una eficiencia de 80 toneladas de caña por hora y un consumo de combustible de 1,8 gal/h 38 , entonces el consumo de combustible en el alce de caña es:
ñ
7893,9 80
ñ ñ /
1,8
/
177,61
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 39 , la conversión a kilogramos es:
177,61
3,7854 1
0,9158
615,715
Y para saber su equivalencia en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 40 , así:
615,72
0,000037
0,02278
Transporte: Suponiendo que entre el área de estudio y el Ingenio Providencia se recorre una distancia de 15 km, el transporte de 7893,9 toneladas de caña se realiza por medio del tren cañero de tiro directo con capacidad de 55 toneladas de caña, operado por un tractor de 275 hp a una velocidad máxima de 30 km/h 41 . Entonces la distancia recorrida en el transporte de caña cortada al Ingenio, es: 38
JHON DEERE, Cargadora de caña autopropulsada 1850 especificaciones, México 2008.
39
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
40
Ibid.,
41
GIRALDO,F. Cosecha, alce y transporte. En: CENICAÑA. El Cultivo de la caña en la zona azucarera de Colombia, Cali, CENICAÑA, 1995. P.359.
7893,9
ñ
55
30
4305,76
La variable Consumo de combustible(trans), está determinada por el consumo de combustible del tractor VALTRA BH205i 4x4, el cual consume en promedio 4,2 galones de biodiesel por hora 42 y teniendo en cuenta la velocidad máxima se calcula como sigue:
4305,76 30 /
4,2
/
602,80
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 43 , la conversión a kilogramos es:
609,68
3,7854 1
0,9158
2113,558
Y para saber su equivalencia en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 44 , así:
2113,558
0,000037
0,07732
42
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
43
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
44
Ibid.,
1.2.3 Destilación: En esta etapa del ciclo de vida de Bioetanol, se obtienen subproductos como la vinaza que se transforma en compost en la planta de compostaje. Para la elaboración de este, se usan maquinas agrícolas como volteadora, tractor y cargadora, el consumo de combustible de estas maquinas se muestra a continuación: La destilería produce 1,2 litros de vinaza por cada litro de alcohol obtenido y 75,78 litros de alcohol por tonelada de caña molida 45 , entonces la generación de vinaza es:
ñ
ó ñ
7893,9
ñ
ó
75,78 ñ
1,2
717839,69
El 60% de la vinaza generada se recircula a los fermentadores para recuperar la sacarosa, el 40% equivalente a 287135,87 litros se bombea a la planta de compostaje, de allí 33000 litros de vinaza se requieren para la fertilización del área de estudio (Ver tabla 13, Capítulo 3), 5220 litros se usan para el proceso de compostaje y el volumen restante es destinado a almacenamiento (Ver Figura 1C), los cálculos se muestran a continuación: La planta de compostaje tiene 11 pilas de 100 metros de largo, con requerimiento de 270 litros de vinaza por pila y 10 pilas de 80 metros de largo, con un requerimiento de 225 litros de vinaza por pila (Ver tabla 11 del Capítulo 5), entonces el volumen de vinaza a compostar será:
11
270
10
225
5220
Y el volumen de vinaza enviada a almacenamiento, es:
717839,69
717839,69
60 100
33000
5220
248915,88
Para mayor claridad la siguiente figura muestra la distribución de vinaza para este estudio:
45
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Reporte Diario del Proceso de Molienda Fabrica; Gerencia de Fabrica Operación y Mantenimiento. Cali, Mayo 2009. p.1.
Figura 1A. Distribución de la vinaza en el Ciclo Productivo del Etanol.
Vinaza recirculada 430703,81 Litros Vinaza generada 717.839,69 Litros
Vinaza a compostar 5220 Litros
Vinaza a Planta de compostaje 287135,88 Litros
Vinaza a almacenar 248915,88 Litros Vinaza a fertilización 33.000 Litros
Fuente: Autoras, 2009. El consumo de combustible de la maquina volteadora BACKUS, está determinado por la distancia recorrida en el volteo de las pilas durante el proceso de compostaje. Teniendo en cuenta las dimensiones de las pilas, se encuentra la distancia recorrida, como se muestra en la Tabla 4C. Tabla 4C. Distribución de pilas en la Planta de Compostaje. No Pilas
Largo (m)
11
100
10
80
Además, en el proceso de compostaje se realizan las actividades de aireación y adición de vinaza a las pilas, de la siguiente manera: Tabla 5C. Actividades de la Maquina de Volteo en la Planta de Compostaje Maquina volteadora BACKUS Edad del compost (día)
Actividad
Días de volteo
1—2 3—35 36—70
Aireación 1 Aplicación de Vinaza Aireación 2
2 16 34
Frecuencia
Volteo por pila 1 vez al día 2 Día de por medio 16 3 veces al día 102
Fuente: Ingenio Providencia S.A. El número total de volteos por pila será:
ó
2
16
102
ó
120
Teniendo en cuenta las dimensiones de las pilas (Ver Tabla 1C), se encuentra la distancia recorrida por la maquina BACKUS durante el proceso de compostaje.
120
80
10
96000
120
100
11
132000
228000
228
El consumo de combustible de la volteadora BACKUS 16.36, con motor de 99 HP, velocidad máxima de 0,024 km/h y un consumo de combustible de 1,6 galones por hora 46 es:
228 0,024
/
1,6
/
15200
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 47 , la conversión a kilogramos es:
15200
3,7854 1
0,9158
52693,373
Y para saber su equivalencia en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 48 , así:
52693,37
0,000037
1,9496
46
ECOENGINEERS, BACKUS 16.36 Datos Tecnicos, Wischenstr, Germany, 2007.
47
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
48
Ibid.,
Además, en la planta de compostaje se usa una cargadora para el manejo y apilamiento del material, se supone para esta actividad que recorre 10 km en todo el proceso de compostaje. En consecuencia la cargadora VOLVO de ruedas L60F, tiene una potencia de 156 hp, velocidad máxima de 7,3 km/h y un consumo de combustible de 1,8 gal/h 49 , entonces el consumo de combustible es:
10 7,3
/
1,8
/
2,465
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 50 , la conversión a kilogramos es: 0,9158 3,7854 2,465 1
8,547
Y para saber su equivalencia en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 51 , así:
8,547
0,000037 0,00316
Y por último, en la planta de compostaje se transporta el compost en vagonetas haladas por un tractor VALTRA BM125i 4x4 de 142 hp, velocidad máxima de 4 km/h y un consumo de combustible de 1,8 gal/h 52 , se supone que recorre 20 km; entonces el consumo de combustible total es:
49
VOLVO. Cargadoras de ruedas VOLVO L60F, L70F, L90F, Especificaciones técnicas, Sweden, 2007.
50
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
51
Ibid.
52
UNIMAQ AGRICOLA S.A., VALTRA el tractor que se paga solo, Ficha técnica, Bogotá D.C. 2008.
20 4 /
1,8
/
9
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 53 , la conversión a kilogramos es:
9
3,7854 1 31,2
0,9158
Y para saber su equivalencia en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 54 , así:
31,2
0,000037 0,00115
1.2.4 Distribución: Esta etapa comprende el transporte de alcohol carburante, primero desde el ingenio hasta el punto de mezcla y después desde el punto de mezcla a la estación de servicio. El despacho de etanol en el Ingenio Providencia se hace por medio de vehículos cisterna de 9000 galones, para este estudio se supone que el comprador mayorista es Chevron Corporation, la cual tiene un punto de mezcla en Puente Aranda -Bogotá D.C. El consumo de combustible del vehículo cisterna se muestra a continuación: El volumen de alcohol carburante a despachar se determina a partir de los datos encontrados en el reporte diario del proceso de molienda de la fábrica, donde la destilería produce 75,78 litros de alcohol carburante por tonelada de caña molida 55 y la caña molida producida en el área de estudio (63 ha) es 7893,9 toneladas, así:
75,78 598199,742
7893,9 158028,14
53
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
54
Ibid.
55
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Reporte Diario del Proceso de Molienda Fabrica; Gerencia de Fabrica Operación y Mantenimiento. Cali, Mayo 2009. p.1.
Para despachar 158028,14 galones, se necesitan aproximadamente 18 camiones cisterna de 9000 galones de capacidad; un camión International 7600 con motor cummins de 425 hp consume 0,235 galones de biodiesel por km 56 y la distancia entre Cali y Bogotá es de 511 km, entonces el consumo de combustible en el transporte de alcohol carburante hasta el punto de mezcla (mayorista) es:
0,235
511
18
2161,5
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 57 , la conversión a kilogramos es: 3,7854 0,9158 2161,5 1
7493,205
Y para saber su equivalencia en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 58 , así:
7493,2
0,000037
0,2772
Una vez realizada la mezcla, de 10% de alcohol carburante y 90% de gasolina; el volumen de E10 a transportar a las estaciones de servicio es:
100% %
158026,42
100% 10%
1.580.264,2
56
ENTREVISTA con Carlos Matiz, Conductor de Camión Cisterna INTERNATIONAL 7600, Bogotá D.C., Septiembre de 2009. 57
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
58
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
En promedio las estaciones de servicio tienen una capacidad de almacenamiento de 18.000 galones de biogasolina 59 , entonces 1.580.264,2 galones de biogasolina abastecen a 88 estaciones TEXACO en la ciudad de Bogotá. Si se transporta en camiones cisterna de 9000 galones, se requerirán 2 viajes ida y vuelta para abastecer cada estación, suponiendo que la distancia desde el punto de mezcla hasta las estaciones de servicio en promedio es de 15 km, entonces la distancia total en la distribución de biogasolina a las estaciones de servicio por parte de los camiones cisterna es:
ó
4
15
ó
88
ó
ó
5280
ó
Por lo tanto, el consumo de combustible de los camiones cisterna en 5280 km de recorrido es:
0,235
5280
1240,8
Teniendo en cuenta que la densidad del biodiesel, es 0,9158 kg/L 60 , la conversión a kilogramos es: 3,7854 0,9158 1240,8 1 4301,443 Y en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del biodiesel 61 , así:
4301,44
0,000037
0,1591
59
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Listado de estaciones de servicio 2008, Dirección de Hidrocarburos Republica de Colombia, Bogotá, 2008 60
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
61
Ibid.
1.2.5 Uso: Posteriormente la biogasolina es vendida y usada, el volumen de bioetanol que se quema en los motores de combustión de los vehículos, es igual al producido en la destilería (158.026,42 galones). Teniendo en cuenta que la densidad del bioetanol 62 , es 0,9158 kg/L 63 , la conversión a kilogramos es:
0,7902
598199,742
472697,436
Y para saber su equivalencia en unidades energéticas, se multiplica por el valor calórico neto del bioetanol 64 , así:
472697,436
2,9720 10
14,048
A continuación se muestra en la Tabla 5A, el resumen de los consumos de combustible de todos los vehículos que intervienen en el ciclo de vida del etanol. Tabla 5C. Consumos de Combustible de las fuentes de emisión móvil. COMBUSTIÓN MOVIL ETAPA
CULTIVO
COSECHA
DESTILACIÓN
VEHICULO
ACTIVIDAD
Tractor VALTRA BM125i 4x4 Tractor VALTRA BH205i 4x4 Tractor VALTRA BM125i 4x4 Tractor VALTRA BM125i 4x4 Tractor VALTRA BM125i 4x4 Cargadora Jhon Deere 1850 Tractor VALTRA BH205i 4x4 Cargadora VOLVO L60F
Subsolado Arado Rastrillado Surcado Fertilización Alce Transporte cañero Manejo de compost Transporte de compost Aireación y volteo de compost Transporte Ingenio –
Tractor VALTRA BM125i 4x4 Maquina volteadora BACKUS
DISTRIBUCIÓN
Tractocamión International
CONSUMO DE COMBUSTIBLE Tj 0,024246 0,020115 0,006928 0,034638 0,166697 0,022781 0,078202 0,000316 0,001154 1,949655 0,277249
62
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Reporte Diario del Proceso de Molienda Fabrica; Gerencia de Fabrica Operación y Mantenimiento. Cali, Mayo 2009. p.1. 63
64
EUROSAT, Energy Statistics Working Group Meeting, Net Calorific Values, Paris France, Nov 2004.
FAO. Forestry Department Wood Energy Programme, Unified Bioenergy Terminology- UBET, Roma, Italia , Diciembre de 2004, p. 26.
7600
Punto de Mezcla Transporte Punto de Mezcla – Estaciones de Servicio Combustión de Bioetanol
Tractocamión International 7600 USO
0,159153 14,04857
La cuantificación de GEI, en la categoría combustión móvil se determina por medio de la ecuación 1.3 ECUACIÓN 1.3. GEI DEL TRANSPORTE TERRESTRE (Nivel 1) 65
Donde: Emisión
= Emisiones de GEI (kg)
Consumo de Combustibleact (TJ)
= Combustible consumido o vendido por actividad
EFa
= Factor de emisión (kg/TJ)
a
= tipo de combustible (p. ej., gasolina, diesel, gas natural, GLP, etc.)
Los factores de emisión usados para el cálculo de las emisiones de GEI en la combustión móvil, se presentan a continuación en la siguiente tabla. Tabla 6C. Factores de Emisión de GEI de las fuentes móviles. COMBUSTIBLE
VEHICULO Heavy‐Duty Engine (HDE) TRUCK
BIODIESEL FARMING TRACTOR BIOETANOL
GEI CO2 CH4 N2O CO2 CH4 N2O CO2
EF (kg/TJ) FUENTE 75213,079 1,8956 EPA AP‐42 66 4,1798 75460,4602 1,895 EPA AP‐4266 4,1798 62541,467 EPA 67
65
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Energía Combustión Movil, IPCC, 2006. Vol.2, Ecuación 3.2.1., p.3.12. 66
Environmental Protection Agency – EPA. AP-42 Appendix A -Emission Factors of Fuel Combustion, Estados Unidos de América, p.4.
Aplicando la ecuación 1.3, para determinar la emisión de dióxido de carbono del tractor VALTRA BM125i 4x4 que se usa en el subsolado del suelo, será:
0,02424
,
75460,460
De igual forma se calcula la emisión de metano y óxido nitroso, empleando los factores de emisión de la Tabla 6C y las emisiones de cada actividad. La Tabla 7C muestra los resultados del cómputo en cada una de las etapas. Tabla 7C. Emisiones de GEI de la fuentes móviles en el Ciclo de Vida del Etanol. ETAPA
CULTIVO
COSECHA DESTILACIÓN
DISTRIBUCIÓN USO
ACTIVIDAD Subsolado Arado Rastrillado Surcado Fertilización Alce Transporte cañero Manejo de compost Transporte de compost Aireación y volteo de compost Transporte Ingenio – Punto de Mezcla Transporte Punto de Mezcla – Estaciones de Servicio Combustión de Bioetanol
EMISIÓN (kg) CO2 CH4 1829,633 0,046 1517,891 0,038 522,764 0,013 2613,832 0,066 12579,015 0,316 1719,099 0,043 5901,132 0,148 23,864 0,001 87,112 0,002 147121,849 3,696 20852,720 0,526 11970,417 878618,050
N2O 0,101 0,084 0,029 0,145 0,697 0,095 0,327 0,001 0,005 8,149 1,159
0,302 0,665
A continuación se presenta en la Tabla 8C, las emisiones generadas por la combustión estacionaria y móvil del sector energía.
67
Environmental Protection Agency – EPA. Direct Emissions from Mobile Combustion Sources, Climate Leaders Greenhouse Gas Inventory Protocol Core Module Guidance, Estados Unidos de América, 2008, p.30.
Tabla 8C. Emisiones de GEI del sector de energía.
CO2
EMISIÓN (ton) CH4
N2O
3.311,313057
1,424586
0,128725
1.085,357357
0,005196
0,011458
SUBCATEGORIA COMBUSTION ESTACIONARIA COMBUSTIÓN MOVIL
La emisión de CO2 equivalente para el sector de energía, se obtiene de la multiplicación de la emisión por el potencial de calentamiento global (PCG) 68 de cada GEI, dado en un horizonte de tiempo de 100 años, siendo para el PCGCO2 =1, PCGCH4=25 y PCGN2O=298, así:
Donde: CO2 eq EmisiónGEI PCGGEI
= Emisión de CO2 equivalente, (ton de CO2 eq) = Emisión de un GEI, (ton GEI) = Potencial de calentamiento global (CO2 eq)
De la manera anteriormente mencionada se encuentra la emisión de CO2 metano producido en la combustión estacionaria, así:
eq
para el
1,424586
35,614650
25
Así mismo se realiza para óxido nitroso,
68
0,128725
298
Forster, P., V. Ramaswamy, P. Artaxo, T. Berntsen, R. Betts, D.W. Fahey, J. Haywood, J. Lean, D.C. Lowe, G. Myhre, J. Nganga, R. Prinn, G. Raga, M. Schulz and R. Van Dorland, 2007: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. TABLE 2.14
38,36005
Se realiza el mismo procedimiento para combustión móvil. La Tabla 9C muestra las emisiones CO2 eq para el sector. Tabla 9C. Emisiones de CO2 eq del Sector Energía.
SUBCATEGORIA COMBUSTION ESTACIONARIA COMBUSTIÓN MOVIL TOTAL
CO2 eq
EMISIÓN (ton) CH4 expresado como CO2 eq
N2O expresado como CO2 eq
3.311,313057
35,61565
38,36005
1.085,357357
0,1299
3,41448
4396,670414
35,74555
41,77453
La emisión total de GEI del sector de energía, expresada como CO2 eq es 4474,19 Ton de CO2 eq.
2
2.1
SECTOR AGRICULTURA
EMISIONES DE GEI A PARTIR DE LA QUEMA DE BIOMASA
La cuantificación de GEI generados por la quema controlada a cielo abierto del cultivo previa al corte, se obtiene según la ecuación 2.1. ECUACIÓN 2.1. ESTIMACION DE EMISIONES DE GASES EFECTO INVERNADERO A CAUSA DEL FUEGO (Nivel 1) 69
10
Donde: Lfuego = Cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero provocada por el fuego, ton de GEI (CO₂, CH₄, N₂O y CO) A = Superficie quemada, ha. Se considera la quema de la totalidad del área de estudio (63 ha). MB = Masa de combustible disponible para la combustión, ton/ha. En el cultivo de la caña de azúcar se consideran hojas y yaguas. Cf = Factor de combustión, sin dimensión, Según el IPCC 70 para la quema previa a la cosecha de caña de azúcar, el factor de combustión es 0,8. Gef = Factor de emisión de gas efecto invernadero, gr GEI/kg de materia seca quemada, Los factores de emisión según el IPCC 71 se muestran en la siguiente Tabla 10C: Tabla 10C. Factores de emisión para la quema de biomasa GAS EFECTO INVERNADERO CO₂ CH₄
FACTOR DE EMISIÓN (gr GEI/kg) 1515 92
69
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 2.27., p.2.48. 70
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Cuadro 2.6, p.2.55. 71
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Cuadro 2.5, p.2.53.
N₂O CO
2,7 0,07
Fuente: IPCC, 2006. La masa de combustible disponible para la combustión (MB), se halla de la siguiente manera: La variedad CC 85-92, en su desarrollo vegetativo produce 270 kilogramos de Hojas y Yaguas por tonelada 72 y 125,3 Ton de caña por hectárea (TCH) 73 , el material quemado según Macedo 74 , es el 80% de las hojas y yaguas de la planta (270 kg), entonces MB será:
270
125
0,8
1 1000
27
Entonces para la emisión de dióxido de carbono:
63
27
10
1515
0,8 ,
10
De la misma manera se calculó las emisiones de monóxido de carbono, metano y óxido nitroso, siendo los siguientes resultados: ,
,
,
72
VICTORIA K., Jorge.; AMAYA E., Álvaro.; RANGEL J., Hernando.; VIVEROS V., Carlos.; CASSALETT D., Clímaco.; CARBONELL G., Javier.; QUINTERO D., Rafael.; CRUZ V., Ricardo.; ISAACS E., Camilo.; LARRAHONDO A., Jesús.; MORENO G., Carlos.; PALMA Z., Alberto.; POSADA C., Claudia.; VILLEGAS T., Fernando y GOMEZ L., Luis, Características agronómicas y de productividad de la variedad Cenicaña Colombia (CC) 85-92. Cali, CENICAÑA, 2002. p.9. 73
74
Ibid., p.30.
MACEDO Isaias, LEAL Manoel R., AZEVEDO João E., Assessment of greenhouse gas emissions in the production and use of fuel ethanol in Brazil, Government of the State of São Paulo-Secretariat of the Environment, 2004, p.34.
2.2
EMISIONES DIRECTAS DE N2O
La cuantificación de óxido nitroso generado como subproducto de los procesos de nitrificación y desnitrificación por la adicción de todo tipo de fertilizantes (sintético, orgánico, orina y estiércol animal, residuos agrícolas, mineralización de nitrógeno y de suelos orgánicos -histosoles) al cultivo, se calcula con la ecuación 2.2. ECUACIÓN 2.2. EMISIONES DIRECTAS DE N2O DE SUELOS GESTIONADOS (Nivel1) 75
Donde: N2ODirectas-N = Emisiones directas de N2O–N producidas a partir de suelos gestionados, kg N2O–N. N2O-NN aportes = Emisiones directas de N2O–N producidas por aportes de Nitrógeno a suelos gestionados, kg N2O–N. Obtenido de la ecuación 2.2.1. N2O-NOS = Emisiones directas de N2O–N de suelos orgánicos gestionados, kg N2O– N. Esta variable es cero, debido a que los suelos en el Valle del Cauca, no poseen las características de un suelo orgánico 76 . N2O-NPRP = Emisiones directas de N2O–N de aportes de orina y estiércol a tierras de pastoreo, kg N2O–N. Estos aportes de nitrógeno no se presentan en el área de estudio por lo tanto el valor para este factor es cero. Las emisiones producidas por aportes de Nitrógeno a suelos gestionados (N2O-NN aportes), se calcula mediante la ecuación 2.2.1. ECUACIÓN 2.2.1. EMISIONES DIRECTAS DE N2O–N PRODUCIDAS POR APORTES DE NITRÓGENO A SUELOS GESTIONADOS (Nivel 1) 77 .
Donde: FSN
= Cantidad de Nitrógeno aplicado a los suelos gestionados en forma de fertilizante sintético, kg N. En la tabla 13 se muestra que los fertilizantes sintéticos aplicados
75
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.1., p.11.7 76
QUINTERO D, Rafael. Fertilización de la caña de azúcar con nitrógeno y potasio en suelos de la parte plana del Valle del Cauca, Centro de Investigación de la Caña de Azúcar de Colombia- CENICAÑA, Cali, 2007, p.2. 77
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.1., p.11.7
FON
FCR FSOM
EF1 EF1FR
son Urea y PROVIFOLE, en cantidades de 1100 kg y 25 L por hectárea respectivamente. = Cantidad de estiércol animal, compost, lodos cloacales y otros aportes de nitrógeno aplicados a los suelos, kg N. El cual se obtiene a partir de la Ecuación 2.2.1A = Cantidad de Nitrógeno en los residuos agrícolas (aéreos y subterráneos), que se regresan a los suelos, kg N. El cual se obtiene a partir de la Ecuación 2.2.1B = Cantidad de Nitrógeno en suelos minerales que se mineraliza, relacionada con la pérdida de Carbono del suelo de la materia orgánica del suelo como resultado de cambios en el uso o la gestión de la tierra, kg N. Este factor es cero, pues el área de estudio no ha cambiado de uso o gestión de tierra en al menos 20 años. = Factor de emisión para emisiones de N₂O de aportes de Nitrógeno, kg N2O-N/kg aporte de Nitrógeno. Según el IPCC 78 este factor es 0,01kg N2O-N/kg N. = Factor de emisión para emisiones de N₂O de aportes de Nitrógeno en plantaciones de arroz inundadas, kg N₂O--N /kg aporte de N, Este factor de emisión es cero pues se usa exclusivamente para las plantaciones de arroz.
El cálculo de la cantidad de Nitrógeno aplicado a los suelos gestionados en forma de fertilizante sintético FSN , se hace teniendo en cuenta la cantidad de fertilizante aplicado y el contenido de nitrógeno en cada producto, este valor debe integrarse a la fórmula en unidades de kg N, como se muestra a continuación: Sabiendo que la fórmula molecular de la urea es CH4N2O y que la cantidad de urea empleada en el área de estudio es 1100 kg/ha, se puede deducir la cantidad de nitrógeno aplicado al suelo, como se muestra a continuación: CH N O
1100
kg de CH N O ha
CH N O
28 kg N 60 kg CH N O
63 ha
32340,231 kg de N
En la ficha técnica del fertilizante 79 , el contenido de N en el compuesto es de 160 g/L, entonces el N aplicado será:
P
25
L de provifole ha P
78
160 g N 1 L de provifole
63 ha
1 kg N 1000 g N
252 kg de N
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Cuadro 11.1, p.11.12. 79
AGROCAB. Ficha técnica, 2008
Finalmente se suman los aportes de nitrógeno de la urea y el PROVIFOLE, siendo FSN igual a 32592,231 kg de N. El aporte de nitrógeno de estiércol animal, compost, lodos cloacales y otros (Vinaza), a los suelos FON se calcula con la siguiente ecuación: ECUACIÓN 2.2.1A NITRÓGENO DE AGREGADOS DE NITRÓGENO ORGÁNICO APLICADO A LOS SUELOS (Nivel 1) 80 Donde: FON FAM FSEW FCOMP FFOOA
= Cantidad total de fertilizante de nitrógeno orgánico aplicado a los suelos, excepto el de animales en pastoreo, kg N. = Cantidad de nitrógeno de estiércol animal aplicado a los suelos, kg N. En el área de estudio no se aplica estiércol animal como fertilizante, por lo tanto su valor es cero. = Cantidad de nitrógeno total de barros cloacales que se aplica a los suelos, kg N. En el área de estudio no hay aportes de nitrógeno de barros cloacales, por lo tanto su valor es cero. = Cantidad anual del total de nitrógeno de compost aplicado a los suelos, kg N. En el área de estudio en la cosecha del 2008 no se aplico compost, por tanto su valor es cero. = Cantidad de otros abonos orgánicos utilizados como fertilizantes (desechos, guano, residuos de la fabricación de cerveza, etc.), kg N. En este factor se tiene en cuenta la vinaza aplicada en el área de estudio que corresponde a 33000 L/ha. (Ver Tabla 13).
Según HERRADA y BESOSA 81 la vinaza 22% Brix tiene un contenido de nitrógeno de 0,17 kg/m3, de modo que la cantidad de nitrógeno orgánico aplicado al suelo se calcula como se muestra a continuación: 33000
0,17
5,61
1 1000
Entonces la cantidad de nitrógeno orgánico aplicado en el área de estudio es: 0
0
0
5,61
80
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.3., p.11.13. 81
HERRADA U. Jorge Julio y BESOSA T. Ramiro. Uso de Vinaza como Fertilizante en el Ingenio Providencia, Tecnicaña VII Congreso 2006, Vol. 1, Ingenio Providencia S.A., Cali, Colombia, 2006, p.125.
,
Ahora, la cantidad de nitrógeno en los residuos agrícolas FCR (aéreos y subterráneos), que se regresan a los suelos del área de estudio se calcula mediante la ecuación 2.2.3. ECUACIÓN 2.2.1B NITRÓGENO DE RESIDUOS AGRÍCOLAS Y RENOVACIÓN DE FORRAJES/PASTURAS. (Nivel 1) 82 .
1
Donde: FCR
= Cantidad de nitrógeno en los residuos agrícolas (aéreos y subterráneos), incluyendo los cultivos fijadores de N y de la renovación de forraje/pastura, devueltos a los suelos, kg N Cultivo(T) = Rendimiento de materia seca cosechada para el cultivo T, kg d.m./ha, esta variable se calcula según la ecuación 2.2.1.B1 . Supef(T) = Total de superficie cosechada del cultivo T, ha. Para el estudio se consideran 63 ha. Supef.quemada(T) = Superficie del cultivo T quemada, ha. Para el estudio se considera la quema precosecha de 63 ha. Cf = Factor de combustión, adimensional. Según el IPCC 83 el factor de combustión para la quema previa a la cosecha de caña de azúcar es 0,8. FracRemov (T) = Fracción de la superficie total dedicada al cultivo T que se renueva anualmente. “Para cultivos anuales, FracRenov = 1.” 84 El cultivo de caña de azúcar es anual, por lo tanto el valor para este factor es uno. RAG (T) = Relación entre la materia seca de los residuos aéreos y el rendimiento de cosecha del cultivo T (Cultivo(T)), kg d.m./kg d.m.. N AG (T) = Contenido de nitrógeno de los residuos aéreos del cultivo T, kg N/kg d.m.. Frac Remoc (T) = Fracción de los residuos aéreos del cultivo T que se extraen, como los destinados a alimentos, camas y construcción, kg N /kg cultivo-N. “Si no se dispone de datos respecto a FracRemoc, se supone que no hay remoción.” 85 82
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.6, p.11.15. 83
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Cuadro 2.6, p.2.55. 84
Ibíd., p.11.15.
85
Ibíd., p.11.15.
RBG (T) NBG (T) T
Entonces para el cultivo de caña de azúcar no se extraen residuos aéreos destinados para otro uso, por lo tanto el valor de esta variable es cero. = Relación entre residuos subterráneos y rendimiento de cosecha del cultivo T (Cultivo(T)), kg d.m./kg d.m.. = Contenido de nitrógeno de los residuos subterráneos del cultivo T, kg N /kg d.m.. = Cultivo de caña de azúcar.
Entonces, para el cálculo de la anterior ecuación, se requiere la resolución de las ecuaciones de las variables (Cultivo (T), RAG (T), N AG (T), RBG (T), NBG (T)), como sigue: Rendimiento de materia seca cosechada para el cultivo de caña de azúcar (Cultivo T) ECUACIÓN 2.2.1.B1 CORRECCIÓN DE PESO EN SECO DEL RENDIMIENTO DE COSECHA. (Nivel 1) 86 Donde: Cultivo (T)
= Rendimiento de materia seca cosechada para el cultivo de caña de azúcar, kg d.m./ha. Rendimiento Fresco = Rendimiento en fresco cosechado para el cultivo de caña de azúcar, kg peso fresco/ha. Para la variedad CC 85-93, el rendimiento o TCH es 125,3 ton/ha ó su equivalencia 125300 kg peso fresco/ha. SECO = Fracción de materia seca del cultivo de caña de azúcar cosechado, kg d.m./kg peso fresco. La variedad CC 85-92 tiene un contenido de materia seca de 30,2 % 87 .
Entonces, el peso en seco del rendimiento para la variedad CC 85-92 será: 125300
0,302 . ,
.
.
.
86
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.7, p.11.16. 87
ISAACS ECHEVERRY, C.H.; URIBE JARAMILLO, P.T. y RAIGOSA VARELA, J.P. Informe técnico de validación comercial de tecnologías en fincas piloto. Variedad CC 85-92. Documento de trabajo 509. Cali, CENTRO DE INVESTIGACION DE CAÑA DE AZUCAR DE COLOMBIA –CENICAÑA., 2001, p.4.
La relación entre la materia seca de los residuos aéreos y el rendimiento de cosecha del cultivo RAG (T), se calcula a partir de la siguiente ecuación: 1000
Donde: RAG (T)
RAereos
RAereos DM
Cultivo (T)
= Relación entre la materia seca de los residuos aéreos y el rendimiento en peso seco de cosecha del cultivo de caña de azúcar (Cultivo (T)), kg d.m./kg d.m. = Cantidad de residuos aéreos que regresan al suelo por unidad de área, ton/ha. Los residuos aéreos (hojas, cogollo, chulquines, tallos secos y materia extraña) de la variedad CC 85-92, generados por el cultivo después de la cosecha manual de caña quemada son aproximadamente 13 toneladas por hectárea, 10 toneladas corresponden a hojas, cogollo, chulquines y tallos secos aproximadamente 88 , y el 2,32 % del total de caña cosechada se considera como materia extraña 89 . = Contenido de materia seca en los residuos aéreos que regresan al suelo, en decimales. Según los expertos 90 el contenido de humedad de los residuos aéreos del cultivo de caña de azúcar es del 80%, por lo tanto, el 20% restante corresponde a materia seca. = Rendimiento de materia seca cosechada para el cultivo de caña de azúcar, kg d.m/ha, que se obtuvo de la ecuación 2.2.1B1.
Sustituyendo entonces los valores, el cálculo es: 1000 1 37840,6 .
13
,
. .
0,2 ./ . .
88
Ibíd., p.29.
89
90
Ibíd., p.28.
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009.
Ahora, el cálculo del contenido de nitrógeno de los residuos aéreos (N AG (T)), del área de estudio es:
Donde: N AG (T) = Contenido de nitrógeno de los residuos aéreos del cultivo de caña de azúcar, kg N/kg d.m NR Aéreos = Fracción de nitrógeno contenido en los residuos aéreos del cultivo de caña de azúcar. Los residuos aéreos de la variedad CC 85-92, contienen 0,044 % de nitrógeno 91 . RAéreos = Cantidad de residuos aéreos que regresan al suelo por unidad de área, ton/ha. (13 ton/ha). RAéreos DM= Fracción de materia seca de los residuos aéreos que regresan al suelo, Según los expertos 92 el contenido de humedad de los residuos aéreos del cultivo de caña de azúcar es del 80%, por lo tanto, el 20% restante corresponde a materia seca. Al sustituir los valores en la ecuación, se obtiene: 0,00044
13000
13000
é é
0,0022
0,2 .
é
.
.
é
.
Para los residuos subterráneos se calcula la relación entre la materia seca y el rendimiento de cosecha del cultivo (RBG (T)) y el contenido de nitrógeno (NBG (T)). Como sigue: 1000
91
VICTORIA K., Jorge.; AMAYA E., Álvaro.; RANGEL J., Hernando.; VIVEROS V., Carlos.; CASSALETT D., Clímaco.; CARBONELL G., Javier.; QUINTERO D., Rafael.; CRUZ V., Ricardo.; ISAACS E., Camilo.; LARRAHONDO A., Jesús.; MORENO G., Carlos.; PALMA Z., Alberto.; POSADA C., Claudia.; VILLEGAS T., Fernando y GOMEZ L., Luis, Características agronómicas y de productividad de la variedad Cenicaña Colombia (CC) 85-92. Cali, CENICAÑA, 2002. p.9. 92
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero Agrícola, Especialista en recursos hidráulicos y medio ambiente Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009.
Donde: RBG (T) RSubt
RSubt DM
Cultivo (T)
= Relación entre residuos subterráneos y rendimiento de cosecha del cultivo de caña de azúcar, kg d.m./kg d.m. = Cantidad de residuos subterráneos que regresan al suelo por unidad de área, ton/ha. Los residuos subterráneos, es decir las raíces son aproximadamente 15,9 toneladas por hectárea 93 . = Fracción de materia seca en los residuos subterráneos que regresan al suelo. Según Nayamuth y Cheeroo 94 los residuos subterráneos del cultivo de caña contienen un porcentaje de masa seca de 32,69 %. = Rendimiento de materia seca cosechada para el cultivo de caña de azúcar, kg d.m/ha, que se obtuvo de la ecuación 2.2.1B1.
Al sustituir los valores: 1000 1 37840,6 .
15,9
,
. .
0,3269 ./ . .
El contenido de nitrógeno de los residuos subterráneos (N AG (T)), del área de estudio se calcula con la siguiente ecuación:
Donde: N BG (T) = Contenido de nitrógeno de los residuos aéreos del cultivo de caña de azúcar, kg N/kg d.m. NR Subt = Fracción de nitrógeno contenido de los residuos aéreos del cultivo de caña de azúcar. Los residuos subterráneos del cultivo de la caña de azúcar tienen un contenido de nitrógeno de 0,43% 95 . RSubt = Cantidad de residuos subterráneos que regresan al suelo por unidad de área, ton/ha (15,9 ton/ha). 93
NAYAMUTH, A.R.H., y CHEEROO-NAYAMUTH, B.F., Contribution Of The Sugarcane Industry In Alleviating Greenhouse Gas Emissions, Mauritius Sugar Industry Research Institute, Le Reduit, Mauritius, 2005, p.58. 94
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero agrícola del IDEAM. Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009.
95
Op. cit., p.58.
RSubt DM = Contenido de materia seca en los residuos subterráneos que regresan al suelo, en decimales (0,3269) Al sustituir los valores en la ecuación, se obtendrá el resultado, como se muestra a continuación: 15900 0,0043 . . 15900 0,3269 .
0,013
.
Entonces sustituyendo los valores hallados, en la ecuación 2.2.1B. .
37840,6
0,0687 0,013
476791,56
1
.
.
.
63
. . . . . .
.
63
. . .
0,000151 ,
0,8 .
0,0022
.
1 1
0
0,00178
0,137
.
. . . .
.
Finalmente, se reemplazan los valores encontrados en la Ecuación 2.2.1. ECUACIÓN 2.2.1. EMISIONES DIRECTAS DE N2O–N PRODUCIDAS POR APORTES DE NITRÓGENO.
32592,231
5,61
921,228
0
0,01
0 ,
Para encontrar las emisiones directas de óxido nitroso para el área de estudio, se hace uso de la ecuación 2.2, como se muestra a continuación: ECUACIÓN 2.2. EMISIONES DIRECTAS DE N2O DE SUELOS GESTIONADOS
335,190 ,
0
0
La conversión de emisiones de N2O–N a emisiones de N2O para efectos de esta metodología 96 se realiza empleando la siguiente ecuación: 44 28
Donde: N2ODirectas
= Emisiones de oxido nitroso 335,190
2.3
,
44 28
EMISIONES INDIRECTAS DE N2O
Las emisiones indirectas de óxido nitroso por la volatilización de nitrógeno, se calculan con la ecuación 2.3.1.
96
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, p.11.11.
ECUACIÓN 2.3.1. N2O PRODUCIDO POR DEPOSICIÓN ATMOSFÉRICA DE N VOLATILIZADO DE SUELOS GESTIONADOS (Nivel 1) 97
Donde: N2O(ATD)-N FSN FracGASF
FON
FPRP
FracGASM
EF4
= Cantidad de N2O–N producida por deposición atmosférica de nitrógeno volatilizado de suelos gestionados, kg N2O–N = Cantidad de nitrógeno de fertilizante sintético aplicado a los suelos, kg N. (32592,231 Kg de N). = Fracción de nitrógeno de fertilizantes sintéticos que se volatiliza como NH3 y NOx, kg N volatilizado/kg N aplicado. Según el IPCC 98 , por defecto se usa 0,10 kg NH3–N + NOx–N / kg N aplicado. = Cantidad de estiércol animal gestionado, compost, lodos cloacales y otros (vinaza) agregados de nitrógeno orgánico aplicado a los suelos, kg N. Obtenido a partir de la ecuación 2.2.1A. (5,61 Kg de N). = Cantidad de nitrógeno de la orina y el estiércol depositada por animales de pastoreo en pasturas, prados y praderas, kg N. Este factor es cero porque no existen aportes de nitrógeno por orina o estiércol animal. = Fracción de materiales fertilizantes de nitrógeno orgánico (FON) que se volatiliza como NH3 y NOx, kg N volatilizado/kg N aplicado. Según el IPCC 99 , por defecto se usa 0,20 Kg NH3–N + NOx–N / kg N aplicado. = Factor de emisión correspondiente a las emisiones de N2O de la deposición atmosférica de nitrógeno en los suelos y en las superficies del agua kg N–N2O /kg NH3–N + NOx–N volatilizado. Según el IPCC 100 , por defecto se usa 0,010 kg N–N2O /kg NH3–N + NOx–N volatilizado.
Al sustituir las variables, la ecuación se resuelve así:
97
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.9, p.11.23. 98
Ibíd., Cuadro 11.3, p.11.26.
99
Ibíd., Cuadro 11.3, p.11.26.
100
Ibíd., Cuadro 11.3, p.11.26.
32592,231 5,61
0,10
0,20
0
0,010
,
La conversión de emisiones de N2O–N a emisiones de N2O para efectos de esta metodología 101 se realiza empleando la siguiente ecuación: 44 28
Donde: N2ODirectas
= Emisiones de óxido nitroso
32,603
,
44 28
Las emisiones generadas por la lixiviación o escurrimiento del nitrógeno contenido en los fertilizantes, se calcula mediante la ecuación 2.3.2. ECUACIÓN 2.3.2. EMISIONES DE N2O POR LIXIVIACIÓN/ESCURRIMIENTO DE NITRÓGENO DE LOS SUELOS GESTIONADOS (Nivel 1) 102 Ó
Donde: N2O(L)-N FSN
= Cantidad de N2O–N producida por lixiviación y escurrimiento de agregados de nitrógeno a suelos gestionados, Kg N2O–N = Cantidad de nitrógeno de fertilizante sintético aplicado a los suelos, kg N. (32592,231 Kg de N).
101
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, p.11.11.
102
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.10, p.11.24.
FON
= Cantidad de estiércol animal gestionado, compost, lodos cloacales y otros (vinaza) agregados de nitrógeno orgánico aplicado a los suelos, kg N. Obtenido de la ecuación 2.2.1A. (5,61 Kg de N). FPRP = Cantidad de nitrógeno de la orina y el estiércol depositada por animales de pastoreo en pasturas, prados y praderas, kg N. Este factor es cero, porque no existen aportes de nitrógeno por orina o estiércol animal. FCR = Cantidad de nitrógeno en los residuos agrícolas (aéreos y subterráneos), incluyendo los cultivos fijadores de N y de la renovación de forraje/pastura, devueltos a los suelos, kg N. Obtenido de la ecuación 2.2.1B. (921,228 Kg de N). FSOM = Cantidad de Nitrógeno en suelos minerales que se mineraliza, relacionada con la pérdida de Carbono del suelo de la materia orgánica presente en él, como resultado de cambios en el uso o la gestión de la tierra, kg N. Este factor es cero, pues el área de estudio no ha cambiado de uso o gestión de tierra en al menos 20 años y se considera que en el cultivo la perdida de carbono en el suelo tiene valores significativos en periodos de tiempo mayores a 20 años 103 . FracLIXIVIACIÓN-(H) = Fracción de todo el nitrógeno agregado mineralizado en suelos gestionados, kg N/kg agregados de N. Según el IPCC 104 , por defecto se usa 0,30 kg N/ kg agregados de N. EF5 = Factor de emisión para emisiones de N2O por lixiviación y escurrimiento de nitrógeno, kg N2O –N/kg N por lixiviación y escurrido. Según el IPCC 105 , por defecto se usa 0,0075 kg N2O –N/kg N por lixiviación y escurrido. Sustituyendo los valores a la ecuación 2.3.2. 32592,231 0,0075
5,61
0
921,228
0
0,30
,
La conversión de emisiones de N2O–N a emisiones de N2O para efectos de esta metodología 106 se realiza empleando la siguiente ecuación:
103
ENTREVISTA con Milton Saza, Ingeniero agrícola. Bogotá D.C., 24 de Agosto de 2009.
104
Op cit., Cuadro 11.3, p.11.26.
105
Ibíd., Cuadro 11.3, p.11.26.
106
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura Silvicultura y otros usos de la Tierra, IPCC, 2006. Vol.4, p.11.11.
44 28
Donde: N2ODirectas
= Emisiones de oxido nitroso 75,417
2.4
44 28
,
EMISIONES DE CO2 POR FERTILIZACIÓN CON UREA
Las emisiones de dióxido de carbono generadas por la aplicación de urea como fertilizante a los suelos agrícolas se calculan con la ecuación 2.4. ECUACIÓN 2.4. EMISIONES DE CO2 POR LA APLICACIÓN DE UREA (Nivel 1) 107
ó
Donde: CO2-C = Emisiones de carbono por la aplicación de urea, ton C M = Cantidad de fertilizantes con urea, ton urea. En el área de estudio se aplico 693000 kg de urea. EF = Factor de emisión, ton de carbono/ton de urea. Según el IPCC 108 , este factor de emisión es 0,20 ton carbono/ ton urea que es equivalente al contenido de carbono de la urea, sobre el peso atómico de la misma. Entonces el cálculo quedara así:
ó
693 ó
0,20
,
A continuación se multiplica por 44/12 para convertir las emisiones de CO2–C en CO2, donde 44 corresponde al peso del CO2 y el denominador 12 corresponde al peso del carbono.
107
ó
44 12
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, IPCC, 2006. Vol.4, Ecuación 11.13, p.11.34. 108
Ibíd., p.11.34.
ó
0,22
44 12
ó
,
A continuación se presenta en la Tabla 11C, las emisiones generadas por la quema de biomasa, las emisiones e indirectas de N2O y las emisiones de CO2 por la aplicación de urea del sector agricultura. Tabla 11C. Emisiones de GEI del sector agricultura. CATEGORÍA Ó SUBCATEGORÍA Quema de Biomasa Directas de N2O Indirectas de N2O Aplicación de Urea TOTAL
EMISIÓN (kg) CO2 CH4 N2O CO 2061,612 3,674 0,095 125,193 0,526728 0,169746 508,200 2569,812 3,674 0,792 125,193
La emisión de CO2 equivalente para el sector de agricultura, se obtiene de la multiplicación de la emisión por el potencial de calentamiento global (PCG) 109 de cada GEI, dado, en un horizonte de tiempo de 100 años, siendo para el PCGCO2 =1, PCGCH4=25, PCGN2O=298 y PCGCO=1,9, así:
Donde: CO2 eq EmisiónGEI PCGGEI
= Emisión de CO2 equivalente, (ton de CO2 eq) = Emisión de un GEI, (ton GEI) = Potencial de calentamiento global (CO2 eq)
De la manera anteriormente mencionada se encuentra la emisión de CO2 metano total, así:
eq
para el
109
3,674
25
Forster, P., V. Ramaswamy, P. Artaxo, T. Berntsen, R. Betts, D.W. Fahey, J. Haywood, J. Lean, D.C. Lowe, G. Myhre, J. Nganga, R. Prinn, G. Raga, M. Schulz and R. Van Dorland, 2007: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. TABLE 2.14
91,850
Se realiza el mismo procedimiento para el óxido nitroso y monóxido de carbono total. La Tabla 12C muestra las emisiones CO2 eq para el sector. Tabla 12C. Emisiones de CO2 eq del Sector Agricultura.
SECTOR AGRICULTURA
EMISIÓN (ton) CH4 N2O CO2 eq expresado expresado como CO2 eq como CO2 eq 2569,812 91,850 235,936
CO expresado como CO2 eq 237,868
La emisión total de GEI del sector agricultura expresada como CO2 eq es 3135,470 Ton de CO2 eq.
3 3.1
SECTOR DESECHOS
TRATAMIENTO BIOLOGICO DE LOS DESECHOS SOLIDOS
El tratamiento biológico de las vinazas generadas en la destilación de alcohol carburante corresponde a la transformación en compost, este proceso genera emisiones de metano y óxido nitroso. Las emisiones de metano producidas en el tratamiento biológico de vinazas se calculan mediante la ecuación 3.1.1. ECUACIÓN 3.1.1. EMISIONES DE CH4 PROVENIENTES DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO (Nivel 1) 110 .
10
Donde: Emisiones de CH4 Mi EFi R i
= Total de las emisiones de CH4 en el tratamiento biológico, Gg de CH4 = Masa de los desechos orgánicos sometidos al tratamiento biológico i, Gg = Factor de emisión del tratamiento i, gr de CH4/kg de desechos tratados. Según el IPCC 111 por defecto 4 gr de CH4/kg de desecho tratado. = Cantidad total de CH4 recuperado, Gg de CH4. En la planta de compostaje no se recupera metano. = Transformación de vinazas en compost.
Las pilas de compost están formadas por los residuos cachaza, bagacillo, hoja picada, ceniza, inoculo, y lodos de vinaza, la composición de cada pila y la aplicación de vinaza se muestra en la tabla 16. Entonces la masa de residuos orgánicos sometidos al tratamiento biológico de compost (Mi), será igual a los residuos que constituyen cada pila y la vinaza aplicada, esta variable se calcula de la siguiente manera: Para 10 pilas de 80 metros de largo, sabiendo que la densidad de la vinaza es 1030 g /L 112 .
110
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 4.1, p.4.5.
111
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: DesechosTratamiento biológico de los desechos sólidos, IPCC, 2006. Vol.5, Cuadro 4.1, p.4.7.
10
380
225
10
0,001030
3802,317 y para 11 pilas de 100 metros de largo, 11
420
270
11
0,001030
4623,059 Entonces Mi total será la suma de la cantidad de residuos de las pilas de 80 y 100 metros. 3802,317
4623,059
8425,376
8,4253
Aplicando la ecuación 3.1.1., la emisión de metano es:
10 4
8,4253
,
10
0
Las emisiones de óxido nitroso producidas en el tratamiento biológico de vinazas se calculan mediante la ecuación 3.1.2. ECUACIÓN 3.1.2. EMISIONES DE N2O PROVENIENTES DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO (Nivel 1) 113 .
10
112
INGENIO PROVIDENCIA S.A., Informe Diario de Fábrica, Departamento de Calidad de Conformidad en Fábrica, 9 de Septiembre de 2009. 113
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 4.2, p.4.6.
Donde: Emisiones de N2O
= Total de las emisiones de N2O en el tratamiento biológico, Gg de N2O = Masa de los desechos orgánicos sometidos al tratamiento biológico i, Gg. (8,4253 Gg hallados en cálculo para el desarrollo de la ecuación 3.1.1.) = Factor de emisión del tratamiento i, gr de N2O /kg de desechos tratados. Según el IPCC 114 por defecto 0,3 gr de N2O /kg de desecho tratado. = Transformación de vinazas en compost.
Mi EFi i
El desarrollo del cálculo es:
8,4253
3.2
10
,
0,3
10
TRATAMIENTO Y ELIMINACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
La cuantificación de metano en el tratamiento de aguas residuales, se realiza por separado para cada sistema de tratamiento del Ingenio Providencia, dentro de los cuales se tiene: PTAR destilería, lagunas de estabilización y piscinas de vinazas. El metano generado en el tratamiento de las aguas residuales del proceso productivo del alcohol carburante, se cuantifica por medio de la siguiente ecuación. ECUACIÓN 3.2. EMISIONES TOTALES DE CH4 PROCEDENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (Nivel 1) 115
Donde: Emisiones de CH4
= Emisiones de CH4 producidas por el tratamiento y eliminación de aguas residuales, kg. de CH4
114
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos- Tratamiento biológico de los desechos sólidos, IPCC, 2006. Vol.5, Cuadro 4.1, p.4.7. 115
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 6.4, p.6.22.
TOWi = Total de la materia orgánica degradable contenida en las aguas residuales del sistema de tratamiento i, kg. de DQO. Se obtiene de la Ecuación 3.2.1. i = Sistema de tratamiento. Si = Componente orgánico separado como lodo estabilizado, kg. de DQO. El Ingenio no tiene información sobre las características fisicoquímicas de los lodos estabilizados de los sistemas de tratamiento, por lo que este valor es cero. EFi = Factor de emisión para el sistema de tratamiento i, kg de CH4/kg. de DQO para la vía o sistema(s) de tratamiento y/o eliminación utilizado(s). Se calcula con la Ecuación 3.2.2. Ri = Cantidad de CH4 recuperado, Kg. de CH4. La materia orgánica degradable total TOW, se calcula con la siguiente ecuación. ECUACIÓN 3.2.1. MATERIA ORGÁNICA DEGRADABLE EN LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (Nivel 1) 116 .
Donde: TOWi = Total de la materia orgánica degradable en las aguas residuales del sistema de tratamiento i, kg. DQO. i = Sistema de tratamiento. P = Producto industrial total, ton. El alcohol carburante producido es 598199,742 L de etanol (Ver actividad de distribución en combustión móvil). Wi = Aguas residuales generadas, m3/ton producto. Según CENICAÑA 117 , se generan 3,6 Litros de flegmazas por cada litro de etanol producido y 1,2 litros de vinaza por cada litro de etanol producido 118 . DQOi = Requerimiento químico de oxígeno del afluente kg. DQO/m3. La siguiente tabla muestra la DQO de los afluentes en cada sistema de tratamiento. Tabla 13C. Requerimiento químico de oxigeno de los sistemas de tratamiento. REQUERIMIENTO QUIMICO DE OXIGENO SISTEMA DE TRATAMIENTO DQO (kg/m3) Fuente PTAR Destilería UASB 2,1553 Análisis de vertimientos 119 116
Adaptada de: Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos, IPCC, 2006. Vol.5, Ecuación 6.6, p.6.24. 117
CENICAÑA, Programa de estandarización-Gestión de Fábrica, Intercambio mensual de información –Interingenios duales, Mayo 2009.
118
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Reporte Diario del Proceso de Molienda Fabrica; Gerencia de Fabrica Operación y Mantenimiento. Cali, Mayo 2009. p.1. 119
INGENIO PROVIDENCIA S.A.. Caracterización de efluente agua residual destilería, 2006.
Resto de la Planta Lagunas de Estabilización Piscinas de Vinaza
1,7242 7,5484 250
Manual de operación de la planta 120 Análisis de vertimientos 121 Entrevista 122
A continuación se calcula el total de la materia orgánica degradable TOW, para cada sistema de tratamiento:
598199,74
0,0036 4641,479
2,1553
De la misma forma se calcula para los demás sistemas de tratamiento identificados, la Tabla 14C muestra el total de la materia orgánica degradable en cada sistema. Tabla 14C. Total de materia orgánica degradable en los sistemas de tratamiento de aguas residuales. SISTEMA DE TRATAMIENTO TOW (kg de DQO) UASB 4641,479 PTAR Destilería Resto de la Planta 3713,097 Lagunas de Estabilización 16255,623 Piscinas de Vinaza 179459,922 El factor de emisión EF se calcula con la ecuación 3.2.2. ECUACIÓN 3.2.2. FACTOR DE EMISIÓN DE CH4 PARA LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Donde: EFj j
= Factor de emisión para cada vía o sistema de tratamiento y/o eliminación, kg. de CH4/Kg. de DQO. = Cada vía o sistema de tratamiento y/o eliminación
120
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Manual de Operación y Mantenimiento Planta de Tratamiento de Agua Residual Destilería, Biotecs, Julio 2006. 121
INGENIO PROVIDENCIA S.A.. Caracterización de efluente agua residual lagunas, 2006.
122
ENTREVISTA con Walter Andrés Rodríguez, Ingeniero del INGENIO PROVIDENCIA S.A. Bogotá D.C., Julio de 2009.
Bo
MCFj
= Capacidad máxima de producción de CH4, kg. de CH4/kg. de DQO. Según el IPCC 123 , “si no se dispone de los datos específicos del país, es una buena práctica utilizar para B0 el factor de la DQO por defecto del IPCC (0,25 kg. de CH4/kg. de DQO)”. = Factor de corrección para el metano (fracción). Según el IPCC 124 , se toman por defecto los factores del cuadro 6.8. Siendo para un reactor anaerobio UASB y para lagunas con profundidad mayor a 2 metros, igual a 0,8 y para la PTAR de la destilería (resto de la planta), se tomo el factor de corrección usado en la segunda comunicación nacional 125 igual a 0,402.
Entonces el factor de emisión para el UASB, es: 0,25 0,2
0,8
Así mismo se calcula el factor de emisión para los demás sistemas de tratamiento identificados, la Tabla 15C muestra los resultados. Tabla 15C. Factores de Emisión para los sistemas de tratamiento. SISTEMA DE TRATAMIENTO EF (kg CH4/kg COD) UASB 0,2 PTAR Destilería Resto de la Planta 0,1005 Lagunas de Estabilización 0,2 Piscinas de Vinaza 0,2
Después de obtener los datos necesarios, se calculan las emisiones de metano en cada sistema de tratamiento.
123
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos- Tratamiento y eliminación de aguas residuales, IPCC, 2006. Vol.5, p.6.23.
124
Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero: Desechos- Tratamiento y eliminación de aguas residuales, IPCC, 2006. Vol.5, Cuadro 6,8, p.6.23.
125
IDEAM. Segunda Comunicación Nacional de Colombia ante la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático- Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero - Años 2000 y 2004:Modulo de Residuos, Bogota D.C., Febrero 2008, p.9.
4641,479
0 ,
0,2
0
Las emisiones de metano obtenidas del resto de sistemas identificados, se muestran en la Tabla 16C. Tabla 16C. Emisiones de CH4 de las aguas residuales. SISTEMA DE TRATAMIENTO Emisiones CH4 (kg CH4) UASB 928,295 PTAR Destilería Resto de la Planta 373,165 Lagunas de Estabilización 3251,124 Piscinas de Vinaza 35891,985 A continuación se presenta en la Tabla 17C, las emisiones generadas por el tratamiento biológico y tratamiento de aguas residuales del sector. Tabla 17C. Emisiones de GEI del sector de desechos. SUBCATEGORIA TRATAMIENTO BIOLOGICO TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
EMISIÓN (ton) CH4 N2O 33,70
2,528
40,445
La emisión de CO2 equivalente para el sector de desechos, se obtiene de la multiplicación de la emisión por el potencial de calentamiento global (PCG) 126 de cada GEI, dado en un horizonte de tiempo de 100 años, siendo para PCGCH4=25 y PCGN2O=298, así:
Donde: CO2 eq EmisiónGEI PCGGEI
126
= Emisión de CO2 equivalente, (ton de CO2 eq) = Emisión de un GEI, (ton GEI) = Potencial de calentamiento global (CO2 eq)
Forster, P., V. Ramaswamy, P. Artaxo, T. Berntsen, R. Betts, D.W. Fahey, J. Haywood, J. Lean, D.C. Lowe, G. Myhre, J. Nganga, R. Prinn, G. Raga, M. Schulz and R. Van Dorland, 2007: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. TABLE 2.14
De la manera anteriormente mencionada se encuentra la emisión de CO2 metano generado en el tratamiento biológico, así:
eq
para el
33,70
842,5
25
Así mismo se realiza para óxido nitroso y para el metano del tratamiento de aguas residuales, la Tabla 18C muestra las emisiones CO2 eq para el sector. Tabla 18C. Emisiones de CO2 eq del Sector Desechos.
SUBCATEGORIA TRATAMIENTO BIOLOGICO TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES TOTAL
EMISIÓN (ton) CH4 expresado N2O expresado como CO2 eq como CO2 eq 842,538
753,229
1.011,114
1853,652
753,229
La emisión total de GEI del sector de desechos expresada como CO2 eq es 2606,88 ton de CO2 eq.
4
CO2 DE LA FERMENTACIÓN
La cuantificación de CO2 generado por la fermentación del mosto, se calculó sabiendo que en un día se muelen 9169 toneladas de caña 127 y se producen 192 toneladas de CO2 128 , además la producción de etanol es 75,78 litros de etanol por tonelada de caña molida, así:
192
9169
1
0,000276
ñ
1 ñ 75,78
Para este estudio el etanol producido es 598199,742 litros, entonces la emisión de CO2 es:
0,000276
598199,742
165,299
127
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Reporte Diario del Proceso de Molienda Fabrica; Gerencia de Fabrica Operación y Mantenimiento. Cali, Mayo 2009. p.1. 128
INGENIO PROVIDENCIA S.A. Proceso de obtención de etanol, Cali, 2006, p.18.
ANEXO D CÁLCULO DE GEI EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE CAÑA DE AZÚCAR-LIBRO DE EXCEL (CD ADJUNTO)
ANEXO E. INSTRUCTIVO PARA EL LIBRO DE EXCEL “CÁLCULO DE GEI EN EL CICLO DE VIDA DEL ETANOL OBTENIDO DE CAÑA DE AZÚCAR” (Calculo de GEI en el CDV etanol.xslx) Para la aplicación de la metodología Directrices del Panel Intergubernamental de Cambio Climático para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero 2006, se desarrollo en Microsoft Excel 2007 un libro de trabajo de donde se calculo las emisiones de GEI del Ciclo de Vida del Etanol tratado en este estudio. Requerimientos: • •
Sistema Operativo: Windows 7 o anteriores. Software: Microsoft Office 2007 o superiores.
NOTA: al abrir el archivo habilite el contenido de macros.
1
INTRODUCCIÓN
En esta hoja se presentan las secciones que contiene el archivo: SECTOR ENERGIA SECTOR AGRICOLA SECTOR DESECHOS
CUANTIFICACIÓN TOTAL ECUACIONES GRAFICAS Elija la sección, dando click sobre el recuadro que quiera consultar.
2
SECCIONES
El libro maneja dos tipos de datos, los datos de entrada y de salida, para usar este libro introduzca los datos en las secciones de entrada de datos estas son SECTOR ENERGIA, SECTOR AGRICOLA y SECTOR DESECHOS, los resultados o datos de salida se encontraran en la sección CUANTIFICACIÓN TOTAL. Para movilizarse dentro del libro use los iconos que permiten la conexión entre secciones, estos son:
•
Introducción: Desde cualquier sección haga click sobre el icono “AL INICIO” para regresar a la hoja INTRODUCCIÓN
•
Ecuaciones: Para conocer la ecuación usada para la cuantificación de GEI en cada subcategoría, puede consultarla dando click sobre las celdas que contienen la palabra ECUACIÓN subrayada en color azul, esta operación lo trasladara a la hoja “ECUACIONES” de allí se puede devolver dando click en:
•
Cuantificación Total: Una vez haya introducido los datos de entrada y verificando los factores de emisión o factores constantes, puede conocer la cuantificación total del sector o de la subcategoría dando click sobre el icono:
Esta operación lo trasladara a la hoja “CUANTIFICACIÓN TOTAL”, de allí puede consultar cualquier subcategoría o emisión especifica que desee, dando click sobre el nombre de la misma.
Las secciones de entrada de datos SECTOR ENERGIA, SECTOR AGRICULTURA Y SECTOR DESECHOS en donde se calculan las emisiones de GEI, se caracterizan por tener celdas de diferentes colores, los cuales se refieren a: Celdas con color MORADO: Celdas de entrada de datos, modificables, en las cuales se introducen los datos de variables que requiere la metodología. Celdas con color NARANJA: Celdas de los factores de emisión o resultados cuantificables en otra ecuación, celdas modificables. Celdas con color ROJO: Celdas formuladas, o datos de salida del resultado de las emisiones de una subcategoría, no modificables.
3
ENTRADA DE DATOS
3.1
SECTOR ENERGIA
Esta hoja contiene las subcategorías COMBUSTION ESTACIONARIA Y COMBUSTION MOVIL, en ellas se calcula de las emisiones de GEI producidas por fuentes móviles y estacionarias que intervienen. 3.1.1
COMBUSTION ESTACIONARIA
Contiene la tabla con la cual se calculan las emisiones de GEI de las fuentes estacionarias, contiene las celdas de entrada de datos: Fuente de combustión: Fuente o Actividad de combustión estacionaria. Combustible: Tipo de combustible usado por la fuente o actividad estacionaria. Consumo de combustible (kg): Consumo de combustible en kilogramos de la fuente o actividad. Valor calórico neto (TJ/kg): Valor Calórico Neto del combustible usado en TJ/kg. Factores de Emisión: EF CO2: Factor de emisión de dióxido de carbono para el combustible usado por la fuente o actividad en (kg/TJ). EF CH4: Factor de emisión de metano para el combustible usado por la fuente o actividad en (kg/TJ). EF N2O: Factor de emisión de oxido nitroso para el combustible usado por la fuente o actividad en (kg/TJ). Las celdas Consumo de combustible, Emisiones de CO2, Emisiones de CH4 y Emisiones de N2O no son modificables y calculan el consumo de combustible en TJ y las emisiones de cada uno de los GEI automáticamente. El total de las emisiones de cada GEI, se calcula en las celdas Totales ubicadas en la parte inferior de la tabla. La siguiente figura muestra las celdas anteriormente mencionadas:
3.1.2
COMBUSTION MOVIL
Contiene la tabla con la cual se calculan las emisiones de GEI de las fuentes móviles, los datos se introducen en las celdas de entrada: Fuente de combustión: Fuente de combustión móvil. Combustible: Tipo de combustible usado por la fuente de combustión móvil. Consumo de combustible (kg): Consumo de combustible en kilogramos de la fuente de combustión móvil. Valor calórico neto (TJ/kg): Valor Calórico Neto del combustible usado en TJ/kg. Factores de Emisión: EF CO2: Factor de emisión de dióxido de carbono para el combustible usado por la fuente móvil en (kg/TJ). EF CH4: Factor de emisión de metano para el combustible usado por la fuente móvil en (kg/TJ). EF N2O: Factor de emisión de oxido nitroso para el combustible usado por la móvil en (kg/TJ). Las celdas Consumo de combustible, Emisiones de CO2, Emisiones de CH4 y Emisiones de N2O no son modificables y calculan el consumo de combustible en TJ y las emisiones de cada uno de los GEI automáticamente. El total de las emisiones de cada GEI, se calcula en las celdas Totales ubicadas en la parte inferior de la tabla.
La siguiente figura muestra la ubicación de las celdas anteriormente mencionadas.
3.2
SECTOR AGRICULTURA
Esta sección contiene las subcategorías EMISIONES DE NO CO2 POR LA QUEMA DE BIOMASA, EMISIONES DIRECTAS DE N2O, EMISIONES INDIRECTAS DE N2O Y EMISIONES DE CO2 DE FERTILIZACIÓN CON UREA, en cada una de ellas se muestra el cálculo de las emisiones de GEI producida por la gestión o manejo de suelos en el cultivo de caña de azúcar. 3.2.3
EMISIONES DE NO CO2 POR LA QUEMA DE BIOMASA
Contiene la tabla con la cual se calculan las emisiones de GEI generadas por la quema de biomasa o la quema precosecha de un cultivo, Los datos de entrada se introducen en las celdas: Área: Área de la superficie quemada, en ha. MB : Masa de combustible (biomasa) quemada en el área evaluada, en ton/ha Cf : Coeficiente de combustión del tipo de biomasa quemada, adimencional. Factores de emisión: Gef CO2 : Factor de emisión del dióxido de carbono, para la quema de biomasa, en gr de dióxido de carbono/kg de materia seca. Gef CO : Factor de emisión del monóxido de carbono, para la quema de biomasa, en gr de monóxido de carbono /kg de materia seca. Gef CH4 : Factor de emisión del metano, para la quema de biomasa, en gr de metano /kg de materia seca.
Gef N2O: Factor de emisión del oxido nitroso, para la quema de biomasa, en gr de oxido nitroso /kg de materia seca. En las celdas Lfire CO2, Lfire CO, Lfire CH4 y Lfire N2O no son modificables y muestran los resultados de las emisiones automáticamente. La siguiente figura muestra las celdas anteriormente mencionadas.
3.2.4
EMISIONES DIRECTAS DE N2O
Contiene la tabla donde se calculan las emisiones de GEI generadas por la aplicación de fertilizantes sintéticos, orgánicos y residuos de cosecha al suelo del cultivo, los datos de entrada se introducen en las celdas: FSN : Cantidad de Nitrógeno aplicado a los suelos en forma de fertilizante sintético, kg de Nitrógeno. FSOM: Cantidad de Nitrógeno en suelos minerales que se mineraliza, relacionada con la perdida de Carbono del suelo de la materia orgánica, como resultado de cambios en el uso o la gestión de la tierra, kg de Nitrógeno. FAM: Cantidad de nitrógeno de estiércol animal aplicado al suelo, kg de Nitrógeno. FSEW : Cantidad de nitrógeno de barros cloacales o lodos aplicado a los suelos, kg de Nitrógeno. FCOMP : Cantidad de nitrógeno de compost aplicado al suelo, kg de Nitrógeno. FOOA : Cantidad de otros abonos orgánicos utilizados como fertilizante aplicados al suelo, kg de Nitrógeno. Superf(T) : Total de superficie de cosecha del cultivo, en ha.
Superf quemada (T) : Superficie del cultivo T quemada, en ha. Cf : Factor de combustión de la quema de biomasa del cultivo, adimencional. FracRenov (T) : Fracción de la superficie total dedicada al cultivo que se renueva anualmente. Para cultivos anuales, FracRenov = 1, adimencional. RAG(T) : Relación entre la materia seca de los residuos aéreos y el rendimiento de cosecha del cultivo T (Cultivo(T)), kg d.m./kg d.m. NAG(T) : Contenido de Nitrogeno de los residuos aéreos del cultivo en peso seco. kg N /kg d.m. FracRemoc(T): Fracción de los residuos aéreos del cultivo que se extraen , como los destinados a alimentos, camas y construcción. Si no se dispone de datos respecto a FracRemoc, se supone que no hay remoción. Adimencional. RBG(T) : Relación entre residuos subterráneos y rendimiento de cosecha del cultivo T (Cultivo(T)), kg d.m./kg d.m. NBG(T): Contenido de Nitrogeno de los residuos subterráneos del cultivo en peso seco. kg N /kg d.m. Rendim_Fresco : Rendimiento en fresco cosechado para el cultivo, kg peso fresco / ha. SECO: Fracción de materia seca del cultivo cosechado, kg d.m. /kg peso fresco. Factores de emisión: EF1 : Factor de emisión para emisiones de N2O de aportes de Nitrógeno al suelo. Las celdas FON , FCR , N2O-N N aportes , N2Odirectas-N , N2Odirectas y Cultivo(T) no son modificables y muestran los resultados de las emisiones automáticamente. La siguiente figura muestra las celdas anteriormente mencionadas.
3.2.5
EMISIONES INDIRECTAS DE N2O
Contiene la tabla donde se calculan las emisiones de GEI generadas por la lixiviación y volatilización del nitrógeno agregado a los suelos, los datos de entrada se introducen en las celdas: FracGASF : Fracción de Nitrógeno de fertilizantes sintéticos que se volatiliza como NH3 y NOx, kg N volatilizado / kg de N aplicado. FracGASM : Fracción de materiales fertilizantes de Nitrógeno orgánico (FON) y de N de orina y estiércol depositada por animales de pastoreo (FPRP) que se volatiliza como NH3 y NOx, kg N volatilizado / kg de N aplicado o depositado. FracLIXIVIACIÓN-(H) : Fracción de todo el Nitrógeno agregado a/mineralizado en suelos gestionados en regiones donde se pro duce lixiviación/escurrimiento Kg N / kg de agregados de Nitrógeno. Factores de Emisión:
EF4 : Factor de emisión correspondiente a las emisiones de N2O de la deposición atmosférica de Nitrógeno en los suelos y en las superficies del agua. kg N–N2O / (kg NH3– N + NOx–N volatilizado). EF5 : Factor de emisión para emisiones de N2O por lixiviación y escurrimiento de Nitrogeno. Las celdas FSN , FON , FCR , N2O(ATD) –N, N2O(ATD) volat y N2O(L) –N N2O(ATD) Lixiv no son modificables y muestran los resultados de las emisiones automáticamente. La siguiente figura muestra las celdas anteriormente mencionadas.
3.2.6
EMISIONES DE CO2 POR LA FERTILIZACIÓN CON UREA
Contiene la tabla donde se calculan las emisiones de CO2 generadas por la aplicación de urea a los suelos, los datos de entrada se introducen en las celdas: M: Cantidad de Urea aplicado a los suelos, ton de urea. Factores de emisión: EF: Factor de emisión, ton CO2-C /ton Urea
Las celdas Emisión de CO2–C y Emisión de CO2 no son modificables y muestran los resultados de las emisiones automáticamente. La siguiente figura muestra las celdas anteriormente mencionadas.
3.3
SECTOR DESECHOS
Esta sección contiene las subcategorías TRATAMIENTO BIOLOGICO DE DESECHOS Y TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, en cada una de ellas se muestra el cálculo de las emisiones de GEI producida por el tratamiento de residuos del ciclo de vida.
3.3.7
TRATAMIENTO BIOLOGICO DE DESECHOS
Contiene la tabla donde se calculan las emisiones de CH4 y N2O generadas en el tratamiento biológico de desechos, los datos de entrada se introducen en las celdas: Mi : Masa de los desechos orgánicos sometidos al tratamiento biológico, en Gg. R : Cantidad total de CH4 recuperado. En caso que se recupere. Gg de CH4 Factores de emisión: EFi : Factor de emisión del tratamiento para CH4, g de CH4/kg. de desechos tratados. EFi : Factor de emisión del tratamiento g de N2O/kg. de desechos tratados Las celdas Emisiones de CH4 y Emisiones de N2O no son modificables y muestran los resultados de las emisiones automáticamente. La siguiente figura muestra las celdas anteriormente mencionadas.
3.3.8
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Contiene la tabla donde se calculan las emisiones de CH4 generadas en el tratamiento de aguas residuales industriales, los datos de entrada se introducen para cada sistema de tratamiento, en las celdas: TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES: Identifique con un nombre el sistema de tratamiento a analizar. Si : Cantidad de lodo resultante del procesamiento de materia prima en el sistema de tratamiento i. kg. de DQO. Ri : Cantidad de CH4 recuperado por el procesamiento de la materia prima kg. de CH4. Pi : Producción total de la industria, Litros o toneladas. Wi : Aguas residuales generadas por producto final m3/L o L/ton DQOi: Requerimiento químico de oxigeno del agua residual de la industria que entra al sistema de tratamiento, kg. de DQO/m3 B0 : Capacidad máxima de producción de CH4 kg. de CH4/kg. de DQO MCF : Factor de corrección para el metano (fracción)
Las celdas Emisiones de CH4 , EFi y TOW no son modificables y muestran los resultados de las emisiones automáticamente. La siguiente figura muestra las celdas anteriormente mencionadas.
4
SALIDA DE DATOS
4.1
CUANTIFICACÍON TOTAL
Esta sección contiene los datos de salida de la cuantificación, en ella se encuentran dos tablas, la primera relaciona los GEI producidos en cada sector, incluyendo los totales de cada GEI por sector y en el ciclo de vida completo y la segunda contiene el cálculo de la emisiones de CO2 equivalente para los GEI cuantificados en un horizonte de tiempo de 100 años, para cada una de las subcategorías o emisiones cuantificadas, además los totales por sector y en el ciclo de vida completo. Esta sección es modificable, la ilustración muestra las tablas anteriormente mencionadas.
SECTO R
TIPO DE EMISION
GASES EFECTO INVERNADERO (ton)
VARIABLE
CO2 Emisiones CO2 combustible COMBUSTION ESTACIONARIA
CH4
0,000
ENERGIA
Emisiones N2O combustible
COMBUSTION MOVIL
0,000 0,000
Emisiones CH4 combustible
0,000
Emisiones N2O combustible TOTAL (ton GEI)
AGRICULTURA DESECHOS
0,00
0,000 0,000
N2O directas
0,000
N2O(ATD) Volat
0,000
N2O(ATD) Lixiv EMISIONES DE CO2 Emisión DE de CO2 FERTILIZACIÓN CON UREA
0,000
EMISIONES INDIRECTAS DE N2O
TOTAL (ton GEI) Emisiones TRATAMIENTO CH4 BIOLOGICO DE Emisiones DESECHOS N2O TRATAMIENTO DE Emisiones AGUAS RESIDUALES CH4
0,00
0,000
Lfire N2O EMISIONES DIRECTAS DE N2O
0,00
0,000
0,000 0,00
0,00
0,00
0,00
de 0,000 de
0,000
de
TOTAL (ton GEI) OTROS
0,000 0,00
L CO2 EMISIONES DE NO fire CO2 A Lfire CO PARTIR DE LA L CH fire 4 QUEMA DE BIOMASA
CO
0,000
Emisiones CH4 combustible
Emisiones CO2 combustible
N2O
0,000 0,00
0,00
0,00
0,00
0,000
0,000
0,000
0,000
CO2 DE FERMENTACIÓN (ton) TOTAL Ton GEI CICLO DE VIDA DEL ETANOL
Emisiones de CO2 equivalentes EMISIONES EN DIOXIDO DE CARBONO EQUIVALENTE (100 AÑOS)
TIPO DE EMISION
GASES EFECTO INVERNADERO (Ton CO2 eq)
VARIABLE
COMBUSTION ESTACIONARIA
COMBUSTION MOVIL
CO2
CH4
N2O
CO
Emisiones CO2 combustible
0,000
Emisiones CH4 combustible
0,000
Emisiones N2O combustible
0,000
Emisiones CO2 combustible
0,000
Emisiones CH4 combustible
0,000
Emisiones N2O combustible
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,0
0,0
0,000
0,0
0,000
TOTAL (ton CO2 eq) Lfire CO2 EMISIONES DE NO CO2 A Lfire CO PARTIR DE LA QUEMA DE BIOMASA Lfire CH4 Lfire N2O N2O directas
EMISIONES DIRECTAS DE N2O
N2O(ATD) Volat
EMISIONES INDIRECTAS DE N2O
N2O(ATD) Lixiv Emisión DE de CO2
EMISIONES DE CO2 FERTILIZACIÓN CON UREA
TOTAL (ton CO2 eq) TRATAMIENTO DESECHOS TRATAMIENTO RESIDUALES
Emisiones DE CH4 Emisiones N2O
de
AGUAS Emisiones CH4
de
BIOLOGICO
DE
TOTAL (ton CO2 eq) CO2 DE FERMENTACIÓN (ton) TOTAL (Ton CO2 eq)
Totales CO2 eq
de
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000 0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
