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

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).

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 CO_2eq/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 CO_2eq/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, bagazo y energía eléctrica, 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, producción de alcohol carburante y tratamiento de efluentes. 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.

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 N_aplicado) (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 el año 2010; 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.

Tratamiento de efluentes: Comprende las plantas de tratamiento de aguas residuales y la planta de compostaje donde se produce el abono orgánico estabilizado que es aplicado en el campo como mejorador de suelos.

Las etapas pueden observarse de manera gráfica en la Figura 1, la Figura 2 y la Figura 3.

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, el bagazo vendido y la energía eléctrica vendida. 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, etanol y energía eléctrica). 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 la caldera 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 esta 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 esta 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 3.

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 CO_2eq/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 30.5 veces más perjudicial que el CO₂ y el óxido nitroso (N₂O) 265 veces (IPCC 2013).

Resultados

El inventario de emisiones se calculó individualmente para cada planta productora de etanol anhidro combustible, con información consolidada para el año 2010. En la Figura 1 se presenta el promedio de las emisiones de las 5 plantas que estaban en operación el año 2010 en términos de kg CO_2eq / m³ etanol anhidro combustible producido, las barras de error representan la desviación estándar para cada año.

La distribución energética entre los cuatro productos (etanol, azúcar, bagazo vendido y energía eléctrica vendida) se calculó individualmente para cada ingenio; la distribución promedio fue de 22%, 61%, 15% y 2% para el etanol, azúcar, bagazo vendido y energía eléctrica vendida respectivamente. En la Tabla 4 se presenta el promedio 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.

La alta desviación estándar observada en el inventario de emisiones de GEI de 651 kg CO_2eq / m³, es debida entre otras razones a las diferencias tecnológicas y operativas en los procesos agrícolas y de producción de las 5 plantas de producción de alcohol carburante. La mayor variación se encuentra en la gestión energética del proceso industrial, en donde algunos ingenios debido a las características de las calderas y los turbogeneradores requieren de combustible adicional al bagazo, tales como fuel oil o carbón, siendo este último la mayor fuente de emisión de GEI.

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. 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 CO_2eq /L).

Para estimar las emisiones asociadas a la distribución del etanol, se consideró el promedio de las distancias recorridas desde las destilerías hasta estos centros de abasto mayorista donde se realiza la mezcla con la gasolina para la distribución en las estaciones de servicio. El promedio de distancia recorrida para transportar el etanol a los centros de abasto mayorista es de 493 km.

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 CO_2eq/km.m³ de etanol anhidro combustible desnaturalizado.

Estas emisiones en promedio equivalen a 53 kg CO_2eq / m³ etanol respectivamente. Al adicionar este valor a las emisiones reportadas en Tabla 4, se obtiene como resultado 962 kg CO_2eq / m³ etanol para 2010.

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.
• Usando como criterio de asignación la distribución energética y teniendo como unidad funcional kg CO₂ equivalente/m³ de etanol, se estableció que el promedio de la huella de carbono para el etanol anhidro combustible producido en las 5 destilerías colombianas fue de 902 kg CO_2eq / m³ Etanol en 2010, considerando cómo límites del sistema desde la siembra de la caña de azúcar hasta la distribución a los centros de abasto mayorista.

Bibliografía

Alverson, R., 2013. Re-thinking the Carbon Reduction Value of Corn Ethanol Fuel. Ethanol Across America.

Hoefnagels, R., Smeets, E. & Faaij, A., 2010. Greenhouse gas footprints of different biofuel production systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(7), pp.1661–1694.

IPCC (Panel Intergubernamental para el Cambio Climático) 2006, Directrices para los Inventarios Nacionales de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero, http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/vol4.html

Khatiwada, D. et al., 2012. Accounting greenhouse gas emissions in the lifecycle of Brazilian sugarcane bioethanol: Methodological references in European and American regulations. Energy Policy, 47, pp.384–397.

Klöpffer, W., 2005. Life Cycle Assessment as Part of Sustainability Assessment for Chemicals (5 pp). Environmental Science and Pollution Research, 12(3), pp.173–177.

Lisboa, C.C. et al., 2011. Bioethanol production from sugarcane and emissions of greenhouse gases – known and unknowns. GCB Bioenergy, 3(4), pp.277–292.

Macedo, I.C., Seabra, J.E. a & Silva, J.E. a R., 2008. Green house gases emissions in the production and use of ethanol from sugarcane in Brazil: The 2005/2006 averages and a prediction for 2020. Biomass and Bioenergy, 32(7), pp.582–595.

Macedo, I.D.C., Leal, M.R.L.V. & Silva, J.E.A.R. Da, 2004. Assessment of greenhouse gas emissions in the production and use of fuel ethanol in Brazil. , (March), p.37.

Muñoz, I. et al., 2014. Life cycle assessment of bio-based ethanol produced from different agricultural feedstocks. International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1), pp.109–119.

Nguyen, T.L.T. & Gheewala, S.H., 2008. Fuel ethanol from cane molasses in Thailand: Environmental and cost performance. Energy Policy, 36(5), pp.1589–1599.

Nguyen, T.L.T., Gheewala, S.H. & Sagisaka, M., 2010. Greenhouse gas savings potential of sugar cane bio-energy systems. Journal of Cleaner Production, 18(5), pp.412–418.

Palacios García, D. et al., 2015. Análisis de ciclo de vida del sector azucarero colombiano como herramienta para determinar sus emisiones de gases de efecto invernadero. X Tecnicaña 2015.

Real decreto REAL DECRETO 2267/2004, de 3 de diciembre, por el que se aprueba el Reglamento de seguridad contra incendios en los establecimientos industriales. BOE nº 303 17-11-2004; http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Normativa/TextosLegales/RD/2004/2267_04/Ficheros/tabla1_4.pdf

Rein, P., 2007. Cane Sugar Engineering. Berlin: Verlag Dr. Albert Bartens KG.

Wang, M., 2014. Life-Cycle Greenhouse Gas Emissions of Corn Ethanol with the GREET Model GREET includes more than 100 fuel production pathways from various energy feedstock sources.