Evaluación de los efectos ambientales de la gasolina, diesel, biodiesel y etanol carburante en Colombia por medio del análisis de ciclo de vida

Abstract

El Análisis de Ciclo de Vida (ACV) es un método para determinar las cargas ambientales de un producto durante todo su ciclo, “desde su cuna hasta la tumba”. Este estudio presenta el ACV para la producción de gasolina, diésel, biodiesel y bioetanol en Colombia, empleando el software de uso libre OpenLCA. Para el inventario de emisiones del ACV se empleó la base de datos Ecoinvent V 2.2 y diferentes referencias bibliográficas. Como métodos de análisis de impacto se empleó el método Potencial de Calentamiento Global IPCC2007 y el método Demanda de Energía Acumulada, para cuantificar las emisiones de Gases de Efecto Invernadero GEI (expresados como kgCO2 equivalente/ MJ) y el consumo energético no renovable de las cadenas de producción (expresado como MJ equivalente/MJ de combustible). Los resultados muestran que el sistema de producción actual de bioetanol presenta una reducción en las emisiones de GEI del 79% en comparación con la gasolina, mientras que se presenta una reducción en la Demanda de Energía no Renovable del 87% (bioetanol: 1,7E-2 kg CO2eq/MJ y 1,8E-1 MJeq/MJ; gasolina: 8,3E-2 kg CO2eq/MJ y 1,4 MJeq/MJ). Por otra parte, la producción actual de biodiesel presenta una reducción del 82% en las emisiones de GEI en comparación al diésel fósil y una reducción en la Demanda de Energía no Renovable del 35% (biodiesel: 1,6E-2 kg CO2eq/MJ y 3,9E-1 MJeq/MJ; diésel: 8,9 kg CO2eq/MJ y 6,0E-1 MJeq/MJ). Adicionalmente se plantean casos alternos para la cadena de producción de bioetanol y biodiesel con el fin de reducir las emisiones de GEI y el consumo energético. Para el bioetanol se plantea el aprovechamiento de los residuos agrícolas en el sistema de cogeneración de calderas existente en los ingenios azucareros con el fin de evitar la quema precosecha en el cultivo y tener mayor generación de electricidad en el sistema. En este caso se logra una reducción del 8% en las emisiones de GEI y un aumento en el consumo energético del 28% respecto a la cadena actual de producción de bioetanol. Para el biodiesel se plantea el tratamiento de efluentes en un reactor anaerobio y el posterior aprovechamiento de biogás en un sistema de cogeneración con el fin de reducir las emisiones de metano en la cadena y generar mayor electricidad en el proceso. Para este caso se alcanza una reducción en las emisiones de GEI de 180% y una reducción en el consumo energético del 2% respecto al sistema actual de producción de biodiesel. Por último se plantea un análisis de sensibilidad para las variables de mayor impacto en el proceso de producción de biocombustibles. Para el caso del bioetanol se emplean diferentes factores de emisión de N2O para los fertilizantes aplicados en el cultivo de caña. Los factores empleados presentaron una baja variabilidad en las emisiones de Gases de Efecto Invernadero, excepto en el caso de la urea. La alta aplicación de este feritilizante y el empleo de un factor de emisión de 0,087 kg de N2O/ kg de N aplicado en el suelo, puede incrementar las emisiones de CO2eq en un 48% respecto al sistema de producción de bietanol actual. En cuanto al biodiesel, se empleó un balance de carbono por el cambio directo en el uso del suelo inferior al empleado para la producción de biodiesel actual (de -3,3 kg de CO2eq emitidos/kg de Racimos de Fruto Fresco se empleó un factor de -1,3 kg de CO2eq emitidos /kg de Racimos de Fruto Fresco). Bajo estas condiciones se tiene un aumento en las emisiones del 132% en las emisiones de GEI. Lo anterior demuestra que los resultados de ACV de la cadena de biocombistbles son sensibles a las variables de cultivo empleadas y por tanto se deben adelantar estudios específicos para determinar el inventario de emisiones de esta etapa y de esta manera reducir el nivel de incertidumbre.

Abstract Life Cycle Assessment (LCA) is a method for determi ning the environmental loads of a product in its whole life cycle, from cradle to gra ve. This study presents the LCA for the production of gasoline, diesel, biodiesel and bioet hanol in Colombia, using the open source software OpenLCA. The Ecoinvent database V 2 .2 and information from a literature review were used for the Life Cycle Inve ntory. The Impact Assessment Method chosen for this study is the Global Warming Potenti al IPCC2007 and Cumulative Energy Demand, in order to quantify the Green House Gases Effect emission (expressed as CO 2 equivalent/MJ) and the non-renewable energy consume (expressed as MJeq/MJ). Results show that the current bioethanol production in Colombia presents a reduction in GHG emissions of 79% compared to gasoline, whereas there is a reduction in non- renewable energy demand of 87% (bioethanol: 1,7E -2 kg CO2eq / MJ and 1.8E-1 MJeq / MJ; fuel: 8,3E-2 kg CO2eq / MJ and 1.4 MJeq / MJ). Moreover, the current production of biodiesel has a 82% reduction in GHG emissions comp ared to fossil diesel and a reduction in non-renewable energy demand of 35% (bi odiesel: 1,6E-2 kg CO2eq / MJ and 3,9E-1 MJeq / MJ; diesel 8.9 kg CO2eq / MJ 6,0E-1 M Jeq / MJ). Additionally, alternative cases for the production of bioethanol and biodiesel were studied in order to reduce GHG emissions and the non-renewa ble energy demand. For the bioethanol chain, the agricultural residues were us ed as fuel in the sugar mill cogeneration system in order to prevent pre-harvest burning and have more power generation. In this case an 8% reduction in GHG emi ssions and an increase in energy consumption of 28% are achieved, compared to the cu rrent chain bioethanol production. For the biodiesel chain, a wastewater treatment in an anaerobic reactor is proposed in order to use the biogas in a cogeneration system to reduce methane emissions in the chain and generate more electricity in the process. For this case a reduction in GHG emissions of 180% and a reduction in energy consump tion of 2% over the current system of biodiesel production are achieved. Finally a sensitivity analysis for the variables wi th the greatest impact in the biofuels production was conducted. For bioethanol, different N 2 O emission factors for fertilizer applied to the sugarcane cultivation were studied. The factors used had low variability for the GHG emissions, except for urea fertilizer. The high application of this fertilizer and an emission factor of 0.087 kg N 2 O/kg of N applied to the soil can increase GHG emis sions by 48% compared with the current ethanol production system. As for biodiesel, a lower carbon balance was used for the variable Direct Lan d Use Change (-3.3 kg of CO 2eq emitted / kg of Fresh Fruit Bunches to a factor of -1.3 kg of CO 2eq emitted / kg of Fresh Fruit Bunches). Under these conditions there is an increase of 132% in GHG emissions. This results show that ACV for biofuels are sensiti ve to farming variables as N 2 O emission factor and the carbon balance for Direct Land Use C hange. Therefore, specific studies must be conducted in order to determine the emissio n inventory for this stage and thus reduce the level of uncertainty.