EVALUACION DE LOS IMPACTOS AMBIENTALES EN LA PRODUCCION DE BIODIESEL DE PALMA AFRICANA MEDIANTE ANALISIS DE CICLO DE VIDA “DE

LA CUNA A LA CUNA”

P. Acevedo*, D. Martínez, W. Jaimes, & V. Kafarov. Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en la Industria y Energía

Universidad Industrial de Santander, Carrera 27 calle 9 Bucaramanga, Colombia

*E-mail: paolaacevedo@gmail.com, kafarov@uis.edu.co

Resumen: La norma ISO 14040 y 14044 de 2006 contempla una herramienta que permite superar las discrepancias existentes sobre los impactos generados por el uso de los biocombustibles, conocida como el análisis de ciclo de vida (ACV). Esta metodología fue utilizada en este estudio, pero con los lineamentos del nuevo enfoque “de la cuna a la cuna”, para cuantificar las cargas ambientales en cada una de los siguientes procesos involucrados: adecuación del terreno y cultivo, extracción del aceite, esterificación, distribución y uso del combustible, teniendo en cuenta los ciclos biogeoquímicos de la naturaleza.

Para obtener las cargas ambientales del sistema y con el fin de analizar los datos de una forma rigurosa se cuantificaron seis categorías de impacto: cambio climático, acidificación, eutrofización, formación de oxidantes fotoquímicos, efectos respiratorios y energía no renovable. Los procedimientos para su evaluación se aplicaron como los sugiere la norma.

Este estudio se desarrolló en Sabana de Torres (Santander) donde existe un número considerable de hectáreas sembradas con palma africana, y se cuenta con una planta extractora que opera por prensado. El proceso de producción de biodiesel fue simulado con Hyprotech Hysys 3.2, usando catálisis heterogénea ácida y etanol como solvente, ya que en Colombia no hay una planta que opere con esta tecnología.

Palabras clave: ACV, Biodiesel, Metodología de la cuna a la cuna, Palma africana.

Abstract: ISO 14040 and 14044 of 2006 standard includes a tool that allows to overcome discrepancies about generated impacts by the use of biofuels which are known as life cycle analysis (LCA). This methodology was arranged to this study, but with the new approach “from cradle to cradle” guidelines used to quantify environmental burdens in each following process involved: suitability and land, oil extraction, esterification, distribution and final use of fuel taking into account the biogeochemical cycles of nature.

In order to obtain environmental burdens’ system and to analyze data in a rigorous way, six impacts categories were quantified: climate change, acidification, eutrophication, formation of photochemical oxidants, respiratory effects and non-renewable energy. Procedures for evaluation were applied as the standard suggests.

This study was developed in Sabana de Torres (Santander), where there has been a considerable number of hectares planted with African palm, and it has a pressure-operated stracting plant. The biodiesel production process was simulated with Hyprotech Hysys 3.2, using heterogeneous catalysis acid and ethanol as solvent, because in Colombia there is not a plant that operates with this technology.

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Keywords: life cycle analysis, Biodiesel, from cradle to cradle methodology, African oil palm

1. INTRODUCCIÓN

La seguridad energética, el progreso económico y la prevención del calentamiento global son objetivos contrapuestos de la actual economía mundial, la cual se basa fuertemente en el consumo masivo de combustibles fósiles. Por este motivo, se requieren fuentes de energía alternativas para sostener el desarrollo a corto y largo plazo, apareciendo los biocombustibles como una posible solución, aspecto que ha generado posiciones contradictorias en los últimos años.

Con el fin de medir los impactos ambientales reales en un proceso de producción y superar las contradicciones mencionadas han surgido normas como las ISO 14040 y 14044, que contempla la herramienta conocida como Análisis de Ciclo de Vida (ACV). Con el uso de esta herramienta se cuantifican las entradas y salidas de cada una de las etapas de elaboración, distribución y uso de un producto, desde la producción de sus materias primas hasta su disposición como desecho. La metodología planteada en la norma se considera incompleta ya que dependiendo del autor del ACV, el ciclo de producción puede tener un inicio y un final diferentes llevando a resultados opuestos. Con el nuevo paradigma “de la cuna a la cuna” se supera la dificultad mencionada, gracias a que se cierra el ciclo de producción y se incluyen en las diferentes etapas los ciclos biogeoquímicos de la naturaleza.

En los últimos años se han elaborado varios ACV de biocombustibles, entre los que se destacan: ACV comparativo de biodiesel y diesel llevado a cabo por CIEMAT (2006), ACV de productos energéticos desarrollado por Rainer Zah, et al, (2007), Evaluación de ciclo de vida para la producción de biodiesel a partir de aceite de higuerilla empleando la metodología “de la cuna a la cuna”, (2008), entre otros. En el presente estudio se aplicaron los procedimientos sugeridos por las ISO 14040 y 14044 a la producción de biodiesel de aceite de palma, bajo la implementación del nuevo paradigma “de la cuna a la cuna” con el fin de cuantificar los impactos ambientales en cada una de las etapas involucradas en su ciclo de vida.

2. ANALISIS DE CICLO DE VIDA

Según lo define la SETAC (2002), el ACV “Es un procedimiento objetivo de evaluación de cargas energéticas y ambientales correspondientes a un proceso o a una actividad, que se efectúa identificando los materiales y la energía utilizada y los descartes liberados en el ambiente natural. La evaluación se realiza en el ciclo de liberados en el ambiente natural. La evaluación se realiza en el ciclo de vida completo del proceso o actividad, incluyendo la extracción y tratamiento de la materia prima, la fabricación, el transporte, la distribución, el uso, el reciclado, la reutilización y el despacho final”.

2.1. Etapas de desarrollo del ACV

La figura 1. muestra el marco de referencia de un ACV y las etapas de desarrollo de la metodología (Antón 2004). El primer paso consistió en especificar los objetivos y el alcance del estudio, seguido del análisis de inventarios donde se recolectaron los datos y se desarrollaron los cálculos para cuantificar los flujos de materia y energía relevantes del sistema. En el tercer paso

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las cargas ambientales fueron evaluadas mediante un procedimiento de clasificación, caracterización y valoración de impactos. Por último, se establecieron las conclusiones del estudio.

Figura 1. Marco de referencia del ACV

3. METODOLOGÍA

3.1 Alcances del estudio.

El ACV fue aplicado a la cadena de producción de biodiesel a partir de aceite de palma africana, usando catalizador solido de carácter ácido y etanol como solvente, en el municipio de sabana de Torres (Santander); se consideraron los procesos de adecuación de terreno, extracción de aceite, producción de biodiesel y la distribución y uso del biocombustible. Además se tuvo en cuenta la fijación de carbono y nitrógeno por parte de la palma con lo que se cierra el ciclo de vida del producto y el estudio se puede considerar “de la cuna a la cuna”

Se asumieron 60 años como límite temporal, tiempo en el cual se pueden realizar dos plantaciones seguidas de palma (una plantación consta de 5 años de crecimiento y 25 de producción). Las emisiones generadas en la producción de bienes de capital fueron ignoradas, porque su vida útil es muy prolongada y pueden intervenir en la elaboración de una gran variedad de productos. Se escogió como unidad de referencia la capacidad de la planta de biodiesel, estimada en 80.000 Ton/año. El biocombustible se uso en motores de combustión interna en una mezcla B10.

En las etapas de extracción de aceite y la producción de biodiesel, se utilizó el método de asignación másica para cuantificar las cargas ambientales de los respectivos co-productos cuando éstos abandonan el sistema (SETAC 2002). De esta manera solo se evaluaron los impactos generados por los productos principales: aceite y biodiesel respectivamente.

3.2 Análisis de Inventarios

El análisis de inventario se realizó mediante tablas de Microsoft Excel, en las cuales se registró la información recopilada y se llevaron a cabo los cálculos necesarios para obtener los resultados deseados. En todos los inventarios se tuvieron en cuenta las emisiones producidas por consumo de vapor, energía eléctrica, extracción y transporte del crudo, refinamiento del diesel, elaboración

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La tabla 2. presenta las distancias recorridas por carretera para el transporte de cada uno de los insumos de la etapa de adecuación del cultivo

Tabla 2. Distancia para el transporte de insumos de adecuación

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3.2.2 Extracción del Aceite.

El inventario se realizó basado en la extracción por prensado, puesto que es el método más usado y posee un alto rendimiento en la extracción del aceite. Los balances de masa y energía fueron calculados en base a un estudio realizado por Cenipalma (2007) en un grupo de extractoras de aceite en la región del magdalena medio. La figura 3. esquematiza este proceso. El combustible para la operación de la caldera se asumió como gas natural, dejando el raquis y la fibra del prensado como fertilizante natural. En base a lo anterior, fue necesario el tratamiento de 41930 Kg/h de racimos para extraer 8810 Kg/h de aceite de palma. La extractora consume 13102 Kg/h de vapor y 8.05E+06 Kw.h/año. de electricidad.

Debido a que en la etapa de extracción de aceite de palma se obtuvo como producto secundario la almendra, se utilizó la asignación másica para evaluar su impacto. Por lo tanto, el 78.95% de las emisiones generadas en la extractora corresponden al aceite de palma, mientras el 21.05 pertenecen a las almendras.

Los racimos de fruto frescos fueron transportados 35 Km. desde el cultivo a la extractora.

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Figura 3. Proceso de extracción del aceite de palma.

3.2.3 Producción de Biodiesel.

Figura 4. Simulación en Hysys 3.2 de la planta de biodiesel

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El proceso de producción de biodiesel a partir del aceite de palma fue simulada por medio del software Hyprotech HYSYS 3.2, ya que no existe en Colombia un proceso con la tecnología requerida para este estudio. Por consiguiente, con esta herramienta se realizaron los balances de masa y energía necesarios para el inventario y teniendo en cuenta la producción de 80.000 Ton/año (una capacidad típica de la planta producción en Colombia). La planta se dividió en tres etapas fundamentales; la hidrólisis de los triglicéridos, la esterificación de los ácidos y el sistema de separación y purificación, modeladas bajo el paquete de fluidos UNIQUAC, ya que éste es el que mejor representa el comportamiento de los compuestos involucrados (Santander 2007). Las etapas se muestran en la figura 4.

En la primera etapa, la reacción de hidrólisis se manejó en condiciones extremas, a 290 ºC y 20 MPa con una relación molar agua/aceite igual a 60 como lo sugiere Saka et al. 2006, obteniéndose una conversión de 74% en menos de una hora. En la esterificación de los ácidos, se simuló en un reactor de lecho fijo usando catalizador de carácter ácido, Sulfato de Zirconio, y aplicando el modelo propuesto por Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW) para predecir el comportamiento del sistema (Saka et al. 2006). Y las condiciones a las que se trabajó fueron de 120ºC y 0,45 MPa con una relación molar etanol/aceite=100 (López 2008). Para la etapa ultima, El biodiesel fue purificado para que cumpliera los requisitos de la norma ASTM, necesarios para su posterior distribución y comercialización. La recuperación del etanol se simuló por una destilación azeotrópica propuesta por Uyazan (2006) usando glicerina como solvente a 1 atm y 78,2ºC, con relación molar 0,4 glicerina/etanol. La columna de purificación de la glicerina se trabajó a 130,2ºC y 15 mmHg.

La planta consume 3,53E+8 Kw.h/año de energía eléctrica y 315 Ton/año de vapor. Al igual que en el inventario anterior, fue necesario el uso de la asignación másica para estimar los impactos, correspondiéndole al biodiesel el 90.37% de las emisiones y para la glicerina tan solo el 9.63% de éstas. El etanol fue transportado desde el puerto de Cartagena hasta sabana de torres recorriendo una distancia de 635 Km.

3.2.4 Distribución y uso del Biocombustible.

Básicamente este inventario esta soportado en los ejemplos y pruebas realizadas por la EPA (2002) y el CIEMAT (2005-2006) referentes a las emisiones producidas por la mezcla diesel-Biodiesel en proporción B10.

4 RESULTADOS

4.1 Evaluación de impactos

Se evaluaron 6 categorías de impactos: cambio climático, acidificación, eutrofización, formación de oxidantes fotoquímicos, efectos respiratorios y energía no renovable. Las emisiones se clasificaron dentro de estas categorías y se les asigno factores de equivalencia dentro de las mismas para hacer posible su comparación. En los casos en que un contaminante está presente en varias categorías, se utilizan factores de equivalencias diferentes para evaluar su impacto.

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4.1.1 Cambio Climático.

Figura 5. Participación de las emisiones en el cambio climático.

El CO2 es el compuesto responsable de las mayores emisiones contaminantes dentro de esta categoría con el 95% de las emisiones totales. Existe una reducción significativa de emisiones de CO2 en la etapa de adecuación agrícola, como se puede apreciar en la figura 5. Las emisiones de metano generan los mayores impactos en las etapas de extracción del aceite y esterificación, seguidas por el NO2 y CO en menor proporción.

4.1.2 Acidificación.

Figura 6. Participación de las emisiones en la acidificación.

Los procesos de producción de biodiesel a partir de palma incrementan la acidificación al generar grandes emisiones de NO2 y SO2 en las etapas de producción de materias primas, principalmente electricidad y vapor. Las emisiones de NO2 alcanzan el 72%, mientras que el SO2 se estima en 25% de la totalidad de los contaminantes tenidos en cuenta dentro de la categoría. La etapa de distribución y uso es la que genera los impactos mas fuertes como se puede apreciar e n la figura 6.

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4.1.3 Eutrofización.

Figura 7. Eutrofización.

De todos los compuestos evaluados, las emisiones de NO2 cobran gran importancia al tener el mayor índice contaminante en todos los procesos evaluados para el ciclo de vida, exceptuando los procesos de adecuación de terreno y producción agrícola, como se muestra en la figura 7. Se puede apreciar una reducción de nitrógeno atmosférico, pero este valor es relativamente bajo cuando se compara con las emisiones totales generadas.

4.1.4 Formación de Oxidantes fotoquímicos.

Figura 8. Participación de las emisiones en la formación de oxidantes Fotoquímicos.

En todos los procesos involucrados en este ciclo de vida, desde la adecuación del terreno hasta la distribución y uso del combustible, pasando por la extracción y esterificación del aceite; es muy común la utilización de productos derivados del petróleo, lo cual trae como consecuencia la liberación al entorno de grandes flujos de materiales reactivos, como los hidrocarburos, que alteran el ciclo fotolítico del ozono aumentando las concentraciones de oxidantes fotoquímicos. La figura 8. muestra la participación de los hidrocarburos en esta categoría.

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4.1.5 Efectos Respiratorios.

Figura 9. Participación de las emisiones sobre los efectos respiratorios.

Esta categoría deja ver la variedad de contaminantes que afectan la salud humana en cada una de las etapas del estudio, siendo el NO2 el compuesto que genera mayores trastornos respiratorios.

4.1.6 Energía no Renovable.

Figura 10. Utilización de la energía no renovable.

La utilización de caldera en los procesos de extracción y esterificación de aceite justifican el alto consumo de gas natural, pero éste es considerado como un combustible limpio, contrario a lo que sucede con los derivados del crudo que son utilizados en las etapas de adecuación y distribución, figura 10.

Recopilando toda esta información en la figura 11. se obtiene el perfil ambiental del sistema, observando claramente que las posibilidades de cambio climático se reducen con el cultivo de palma. Sin embargo las emisiones generadas en la distribución y uso de combustible son relativamente superiores

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Figura 11. Perfil Ambiental de la producción de Biodiesel a partir de palma africana.

5 CONCLUSIONES

Se llevo a cabo el estudio de análisis de ciclo de vida “de la cuna a la cuna” del biodiesel producido a partir de palma de aceite, ya que se pudieron integrar los ciclos biogeoquimicos naturales del carbono y nitrógeno a todos los procesos de producción. La etapa de distribución y uso genera los mayores impactos en todas las categorías estudiadas, siendo el CO2, NO2, SO2 y CH4 los compuestos responsables de los mayores efectos contaminantes. Para el tiempo de vida del ACV, el cultivo de palma de aceite reduce considerablemente los gases causantes del cambio climático, pero esta disminución no es apreciable comparada con las cargas generadas en los demás procesos. Mediante el ACV aplicado a la producción de biodiesel, es posible afirmar que las únicas cargas ambientales que se reducen son las relacionadas con el cambio climático y la eutrofización.

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7. AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren expresar sus agradecimientos a COLCIENCIAS (Instituto Colombiano para el desarrollo de la Ciencia Y Tecnología) por el apoyo a los proyectos Desarrollo y Validación de Modelo de Evaluación de Producción con Metodología del Análisis de Ciclo de Vida (ACV) "de la cuna a la cuna" y “comparación utilizando la metodología del análisis de ciclo de vida del biodiesel obtenido a partir de aceite de palma e higuerilla”.