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Metodología para el cálculo de la huella de carbono del etanol anhidro combustible en Colombia

Introducción

La producción de caña, así como su procesamiento para la obtención de productos de valor agregado como azúcar, etanol y energía eléctrica, entre otros, generan un impacto ambiental debido al uso de insumos, consumo de combustibles, operaciones de procesamiento, etc., que pueden ser medidas en términos de emisiones de gases de efecto invernadero. Debido a esto la estimación de la huella de carbono surge como una herramienta para determinar el impacto ambiental de un producto, servicio u organización en términos de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), estos son aquellos componentes gaseosos de la atmósfera, tanto naturales como antropógenos, que absorben y reemiten radiación infrarroja (Macedo et al. 2008; Macedo et al. 2004).

Mediante la estimación de la huella de carbono de la producción de alcohol anhidro combustible en Colombia, se pueden identificar procesos críticos que requieran mejoras o rediseños con el objetivo de disminuir el impacto ambiental asociado a la producción de este biocombustible (Hoefnagels et al. 2010; Alverson 2013).

Cenicaña desde el 2012 desarrolló las bases metodológicas para el cálculo de la huella de carbono de la producción de azúcar y etanol, con el objetivo de establecer la línea base de las emisiones de GEI del sector sucroalcoholero colombiano y encontrar los puntos críticos que más impactan en estas emisiones. Utilizando datos de 4 ingenios de la región se estimó la huella de carbono de la producción de azúcar, etanol y energía eléctrica, definiendo como límites del sistema las etapas comprendidas entre la siembra de la caña hasta el despacho de los productos en la puerta de la fábrica (de la cuna a la puerta) (Palacios et al. 2015). Las emisiones de GEI fueron de 22.3 kg CO2eq/tonelada de caña cuando el único combustible utilizado en la planta de cogeneración es el bagazo, las etapas de mayor contribución a las emisiones totales fueron campo y cosecha (14 y 7 kg CO2eq/tonelada de caña respectivamente), en las cuales se incluye preparación de los terrenos, siembra de la caña, aplicación de insumos, cosecha, transporte y entrega de la caña a la fábrica (Palacios et al. 2015).

Existen diferentes metodologías para la estimación de la huella de carbono, entre ellas la norma ISO 14064-1:2006 “Gases de efecto invernadero. Parte 1: especificación con orientación, a nivel de las organizaciones, para la cuantificación y el informe de las emisiones y remociones de gases de efecto invernadero” y la especificación técnica ISO/TS 14067:2013 “Gases de efecto invernadero — Huella de carbono de productos — Requisitos y directrices para cuantificación y comunicación”. La primera está enfocada en la construcción del inventario de las emisiones y remociones de GEI a nivel de la organización y la segunda se basa en la suma de emisiones y remociones de GEI en el ciclo de vida de un producto, con base en un análisis de ciclo de vida en donde la única categoría de impacto es la de cambio climático.

La mejora continua en términos ambientales de los procesos productivos en el sector sucroalcoholero colombiano, hace necesario establecer las emisiones de GEI asociadas a cada uno de los productos, particularmente la producción de etanol anhidro combustible ya que su uso final tiene como objetivo disminuir las emisiones de GEI en el sector transporte al mezclarse con la gasolina y ser utilizado como combustible en vehículos de carga y pasajeros (Nguyen & Gheewala 2008; Nguyen et al. 2010; Lisboa et al. 2011). A partir del procedimiento desarrollado por Cenicaña para la estimación de la huella de carbono, este artículo presenta la metodología para el cálculo de las emisiones asociadas a la producción de etanol anhidro.

Metodología

La huella de carbono del etanol anhidro combustible, se calculó con base en el inventario de emisiones de GEI de las etapas del proceso de producción de caña de azúcar, azúcar, etanol y bagazo, recogiendo la información necesaria a partir de formularios diseñados por Cenicaña y dirigidos específicamente a cada una de ellas: campo, cosecha, elaboración de azúcar crudo, gestión energética del proceso industrial y producción de alcohol carburante. Se recolectó información en términos de: uso de insumos: fertilizantes, insecticidas, insumos químicos de proceso, consumo combustible para transporte, maquinaria, generación de energía, además de consumo y generación de energía eléctrica.

Normativa

Para el cálculo del inventario de GEI se siguió la metodología propuesta en la norma ISO 14064-1:2006, que establece las directrices para calcular y reportar el inventario de GEI de una organización. Actualmente esta norma es certificable por organismos de verificación acreditados. Estos organismos son acreditados por instituciones que pertenecen al Foro Internacional de Acreditación (IAF) como el ANSI (Instituto Nacional Estadounidense de Estándares) en E.E.U.U. o el EMA (Entidad Mexicana de Acreditación) en México.

Para cada etapa se calcularon las emisiones en los tres alcances establecidos en la norma, las siguientes definiciones se toman de la norma ISO 14064-1:2006:

Alcance 1: Emisiones directas de GEI. Las emisiones directas de gases de efecto invernadero provienen de fuentes propiedad o controladas por la empresa, por ejemplo, emisiones de combustión en calderas, hornos, vehículos, entre otras; emisiones de la producción química en equipos de procesos controlados o propiedad de la organización. Las emisiones directas de CO2 procedentes de la combustión de biomasa no se incluyen en el Alcance 1.

Alcance 2: Emisiones indirectas de GEI de electricidad. El Alcance 2 representa las emisiones de GEI de la generación de electricidad comprada y consumida por la compañía. La electricidad comprada se define como la electricidad que se compra o de otra manera traída al límite organizativo de la empresa. Las emisiones de Alcance 2 se producen físicamente en las instalaciones donde se genera electricidad.

Alcance 3: Otras emisiones indirectas de GEI. El Alcance 3 es una categoría de informes que permite el tratamiento de todas las demás emisiones indirectas. Las emisiones de Alcance 3 son una consecuencia de las actividades de la compañía, pero ocurren de fuentes no poseídas o controladas por la compañía. Algunos ejemplos de actividades del Alcance 3 son la extracción y la producción de materiales comprados; transporte de combustibles comprados; y el uso de productos y servicios vendidos.

Dentro del alcance 3 se incluyen los siguientes aspectos:

  • Emisiones directas debidas al cambio de uso del suelo.
  • Emisiones de N2O del suelo debido a la utilización de fertilizantes nitrogenados.
  • Emisiones indirectas por uso de productos (asociadas a la producción de insumos usados en los procesos agrícolas y fabriles) y el transporte de estos hasta la planta.
  • Consumo de combustible y energía eléctrica en las labores agrícolas, que comprenden las labores de preparación de terreno, riego, aplicación de insumos en el campo, cosecha y transporte del cultivo hasta la planta.

Factores de Emisión 

Los factores de emisión utilizados para la combustión de combustibles se reportan en la Tabla 1.

Tabla 1. Factores de emisión de la combustión usados en la producción etanol anhidro

Combustión de:

kg CO2/TJ

kg CH4/TJ

kg N2O/TJ

Fuente

Carbón Genérico

88136

1

1.5

UPME – FECOC

Bagazo

0

30

4

UPME – FECOC

Cascarilla de Café

0

30

4

UPME – FECOC

Fuel Oil

78281

3

0.6

UPME – FECOC

Diesel Comercial

74832

1

0.6

UPME – FECOC

UPME: Unidad de Planeación Minero Energética
FECOC: Factores de Emisión de Combustibles Colombianos

El cambio directo de suelo se calculó teniendo en cuenta los factores recomendados por el IPCC (Panel Intergubernamental para el Cambio Climático) y por la EU RED (Directivas de Energía Renovable de la Unión Europea) (Muñoz et al. 2014). El factor utilizado para las emisiones del suelo debidas a la fertilización con compuestos nitrogenados, corresponde al publicado por el IPCC como lineamientos para la cuantificación de emisiones GEI. Se considera que el 1% del nitrógeno aplicado en el suelo va a la atmosfera en forma de N2O debido a la desnitrificación (0.01 kgN_N2O/kg Naplicado) (IPCC, 2006). Para las emisiones indirectas debidas al uso de productos se utilizaron bases de datos reconocidas cómo Ecoinvent y Agrifootprint.

Límites de la organización

El inventario de GEI se realizó para los seis ingenios productores de etanol anhidro combustible instalados en Colombia, contando con información para los años 2010 y 2015; y fue calculado utilizando el software Simapro 8, especializado en análisis de ciclo de vida, el cual cuenta con las bases de datos mencionadas anteriormente. Los límites establecidos para el cálculo del inventario incluyen las siguientes etapas del proceso:

Campo: comprende el proceso de la siembra de la caña hasta antes de la cosecha, incluyendo las labores de preparación de terreno, riego y aplicación de insumos (fertilizantes, insecticidas, etc.)

Cosecha: comprende el proceso de recolección, transporte y entrega de la caña a la fábrica.

Fábrica de azúcar: comprende los procesos relacionados con la preparación y transformación de la caña de azúcar para obtener azúcar, bagazo y materiales con contenido de azúcares fermentables (jugos, siropes y mieles) requeridos para la producción de alcohol carburante.

Destilería: comprende el proceso de producción de etanol carburante desde la preparación de materia prima (provenientes del proceso fabril) hasta el despacho de etanol carburante, incluyendo: fermentación, destilación y deshidratación.

Gestión energética del proceso industrial: comprende los procesos necesarios para satisfacer los requerimientos de energía eléctrica y térmica de la producción industrial de alcohol anhidro (proceso fabril y destilería). Incluye la planta de cogeneración, que contempla la combustión del combustible usado para la generación de vapor en las calderas y su posterior aprovechamiento en los turbogeneradores para la producción de energía eléctrica y/o la compra o adquisición de energía térmica y eléctrica de una fuente externa.

Las etapas pueden observarse de manera gráfica en la Figura 1 y la Figura 2.

Figura 1. Etapas de campo, cosecha, fábrica de azúcar y destilería para la producción de etanol carburante.

Figura 2. Gestión energética en el proceso de producción de etanol anhidro a partir de caña de azúcar

Asignación de emisiones y cálculo del indicador específico

Para el caso de la producción de etanol a partir de caña de azúcar se consideran como productos comercializables el azúcar, el etanol y el bagazo vendido. Si se utiliza otro tipo de materia prima para la producción de etanol (maíz, sorgo, remolacha, etc.) se deben considerar cómo productos aquellos que tengan un valor en el mercado. Para el caso de la producción de etanol a partir de la caña de azúcar, los productos tenidos en cuenta comparten los procesos de campo, cosecha y fabricación de azúcar crudo; dado que no se pueden separar los procesos unitarios para cada uno de los productos en las etapas mencionadas, se hace necesario asignar las emisiones, por lo que se deben separar las entradas y salidas del sistema entre los diferentes productos, de tal forma que reflejen las relaciones físicas existentes entre ellos. Una forma de hacer tal diferenciación es mediante la asignación de factores a cada producto basados en relaciones físico causales, una propiedad física (masa o valor energético) o su valor económico (Klöpffer 2005).

El método de asignación física funciona bien cuando existe una estrecha correlación entre la propiedad física elegida y el valor de los coproductos. En el caso de la asignación de masa (peso) una de sus limitaciones es que no se puede aplicar para servicios de energía, como, por ejemplo, la producción de una planta de cogeneración. La asignación energética refleja mejor la relación causal entre los productos generados (azúcar, bagazo y etanol). En relación con la asignación económica (o del valor de mercado) presenta inconvenientes al estar influenciada por la alta variabilidad y distorsión en los mercados lo cual no hace que sea aplicable en todos los casos (Wang 2014; Khatiwada et al. 2012).

El criterio seleccionado basado en las razones expuestas fue el de distribución energética entre los productos. La asignación se realizó teniendo en cuenta la energía contenida en cada uno de ellos, es decir el resultado de la multiplicación del poder calorífico y la cantidad producida del producto en el periodo de tiempo establecido. El porcentaje de asignación en los procesos para el etanol anhidro combustible se calcula de la siguiente manera:

El inventario de emisiones asociado al etanol anhidro combustible en la gestión energética del proceso industrial es calculado a partir de los requerimientos energéticos específicos para cada producto, teniendo en cuenta el bagazo usado en las calderas disponible para cada producto. Para establecer este inventario se calculó la energía generada en la planta de cogeneración a partir la combustión de bagazo, y se asignó al etanol una cantidad de ésta energía, proporcional a su distribución energética.

Se calcularon los requerimientos energéticos para cada producto, para el etanol se consideró una parte proporcional a la distribución energética del requerimiento en la fábrica de azúcar crudo y el 100% del requerimiento en la destilería. Se verificó que la energía disponible a partir del bagazo cubriera estos requerimientos energéticos, si ésta energía es suficiente, las emisiones del alcance 1 en la gestión energética del procesamiento industrial son las debidas a la combustión de la biomasa utilizada para cubrirlos. En caso de no cubrirlos, las emisiones de la gestión energética del procesamiento industrial son la suma de las emisiones debidas a la producción de energía a partir bagazo asignada al etanol y las emisiones debidas a la producción de energía a partir de los combustibles adicionales utilizados. Las emisiones de alcance 3 en esta etapa se asignan proporcional a la distribución energética del etanol.

A partir de los inventarios totales de cada etapa se calculó la huella de carbono correspondiente a la producción del etanol anhidro combustible para cada uno de los ingenios. Se asignaron las emisiones de cada etapa al etanol anhidro combustible cómo se muestra en la tabla 2.

Tabla 2. Asignación del inventario de emisiones para el etanol anhidro combustible

Etapa

Inventario Emisiones para el Etanol Anhidro

Campo

%Asignación Etanol * Emisiones totales

Cosecha

%Asignación Etanol * Emisiones totales

Fábrica Azúcar

%Asignación Etanol * Emisiones totales

Destilería

100% * Emisiones totales

Gestión energética del proceso industrial

Consumo específico de energía

Total

Suma de todas las etapas

Tomando cómo unidad funcional la producción de un metro cúbico de etanol anhidro combustible y partiendo del inventario total de emisiones para este producto, se calculan las emisiones específicas para la unidad funcional; es decir, las emisiones totales se dividen por los metros cúbicos producidos en el periodo de tiempo establecido. Las emisiones de GEI se expresan en kilogramos de dióxido de carbono equivalentes por metro cúbico de etanol (kg CO2eq/m3 de etanol), el cual convierte las emisiones de otros gases de efecto invernadero diferentes al CO2 en kilogramos de CO2 basado en su capacidad para afectar el cambio climático. Por ejemplo, el metano (CH4) es 25 veces más perjudicial que el CO2 y el óxido nitroso (N2O) 298 veces (IPCC 2006).

 

Resultados

El inventario de emisiones se calculó individualmente para cada planta productora de etanol anhidro combustible, con información consolidada para los años 2010 y 2015 para cada una de ellas. En la Figura 1 se presentan los promedios ponderados de las 6 plantas en cada año en términos de kg CO2eq / m3 etanol anhidro combustible producido, las barras de error representan la desviación estándar para cada año. 

Figura 3. Promedio ponderado y desviación estándar de las emisiones específicas de GEI para la producción etanol anhidro combustible en Colombia en los años 2010 y 2015.

La distribución energética entre los tres productos (etanol, azúcar y bagazo vendido) se calculó individualmente para cada año y para cada ingenio; la distribución promedio para el año 2015 fue de 23%, 61% y 16% para el etanol, azúcar y bagazo vendido respectivamente. En la Tabla 3 se presenta el promedio ponderado de las emisiones de GEI por metro cúbico de etanol producido para cada una de las etapas del proceso. Se destaca que la contribución de la gestión energética del proceso industrial es la más alta, esto es debido a que algunas de las plantas utilizan carbón como combustible adicional para completar el requerimiento energético del proceso de producción de etanol.

Tabla 3. Emisiones de GEI por metro cúbico de etanol en cada una de las etapas del proceso.

Etapa

Emisiones de GEI 2010

(kg CO2eq/m3 de Etanol)

Emisiones de GEI 2015

(kg CO2eq/m3 de Etanol)

Campo

93

93

Cosecha

61

82

Fábrica de Azúcar

12

14

Destilería

22

25

Gestión Energética

679

262

Total

867

476

La disminución del promedio ponderado de las emisiones de GEI para la producción de etanol anhidro combustible en Colombia entre los años 2010 y 2015 (pasar de 867 a 476 kg CO2eq / m3 Etanol) es debida en mayor medida al mejoramiento de la eficiencia energética, la repotenciación de calderas existentes y la instalación de nuevas calderas y de turbogeneradores más eficientes en las plantas de cogeneración de los ingenios. Esto permitió disminuir el requerimiento de combustibles fósiles adicionales para suplir los requerimientos energéticos del proceso, disminuyendo así las emisiones de GEI en la etapa de gestión energética. Las emisiones en la etapa de cosecha incrementaron en un 34% aproximadamente debido al crecimiento en la adopción de la cosecha mecanizada, lo cual aumentó el uso de combustibles fósiles en la maquinaria utilizada en esta etapa.

Desnaturalización y transporte hasta el punto de abasto mayorista

El proceso de desnaturalización consiste en adicionar un porcentaje de gasolina (2%) al etanol anhidro combustible en la destilería previo a su distribución. Para el transporte se tiene en cuenta la distancia recorrida desde la destilería hasta punto de abasto mayorista Mancilla en Facatativá, Cundinamarca. Estas dos etapas se consideran para ampliar los límites organizaciones hasta la entrega del etanol anhidro combustible en el centro de abasto donde se produce la mezcla con la gasolina para la distribución en las estaciones de servicio.

El etanol anhidro combustible desnaturalizado se compone de 2% de gasolina y 98% de etanol anhidro combustible, por esto las emisiones asociadas a 1 m3 de etanol anhidro combustible desnaturalizado son las correspondientes a las emisiones de la producción de 980 L de etanol anhidro combustible y a las emisiones de la producción de 20L de gasolina (0.452 kg CO2eq /L).

Las emisiones debidas al transporte se calcularon utilizando el factor de emisión asociado al transporte de carga presente en la base de datos de Ecoinvent [Transport, lorry >28t, fleet average] que corresponde a 0.1081 kg CO2eq/km.m3 de etanol anhidro combustible desnaturalizado.

Estas emisiones en promedio para los años 2010 y 2015 equivalen a 35 y 43 kg CO2eq/m3 etanol respectivamente. Al adicionar este valor a las emisiones reportadas en Tabla 3, se obtiene como resultado 902 kg CO2eq/m3 etanol para 2010 y 519 kg CO2eq/m3 etanol para el 2015.

 

Conclusiones

  • Se estableció una metodología para la estimación de la huella de carbono en la producción de etanol carburante basada en la norma ISO-14064-1:2006.
  • La metodología establecida puede ser certificada e implementada en producción de etanol a partir de caña de azúcar o de otro tipo de materias primas.
  • Usando como criterio de asignación la distribución energética y teniendo como unidad funcional kg CO2 equivalente/m3 de etanol, se estableció que el promedio ponderado de la huella de carbono para el etanol anhidro combustible producido en las 6 destilerías colombianas fue de 519 kg CO2eq / m3 Etanol en 2015, considerando cómo límites del sistema desde la siembra de la caña de azúcar hasta la entrega en el centro de abasto mayorista Mancilla
  • El mejoramiento continuo en términos de eficiencia energética permitió reducir entre 2010 y 2015 un 61% las emisiones en la etapa de gestión energética del proceso industrial, lo que significó una reducción del 45% en las emisiones totales.

Bibliografía

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Modificado por última vez enMiércoles, 08 Marzo 2017 10:47