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UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN
DOCTORADO EN CIENCIAS FORESTALES
FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES
“ASPECTOS AMBIENTALES EN LA PRODUCCIÓN DE ETANOL PARA
COMBUSTIBLE”
CURSO DE GESTIÓN AMBIENTAL EN LA INDUSTRIA FORESTAL
HERIBERTO FRANCO ÁVILA
Concepción, 27 de diciembre de 2006
INTRODUCCIÓN
Fuente: Bullón, Fernando. Asociación para el Estudio de los Recuros Energéitcos
http://www.crisisenergetica.org/ficheros/El_mundo_ante_el_cenit_del_petroleo.pdf#search=%22Proyecci%C3%B3n%20de%20Hubbert%20s
obre%20el%20petr%C3%B3leo%22
CURVA DE HUBBERT
CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN MUNDIAL
Fuente: www.eumed.net/cursecon/2/evolucion.htm
PRECIO PROMEDIO DEL BARRIL DE PETRÓLEO
Fuente: http://www.opec.org/home/basket.aspx
RESERVAS DE PETRÓLEO Y CONCENTRACIONES DE CO2
PROTOCOLO DE KYOTO
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Kyoto_Protocol_participation_map_2005.png
http://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpspan.pdf
Gases de efecto invernadero
Dióxido de carbono (CO2)
Metano (CH4)
Óxido nitroso (N2O)
Hidrofluorocarbonos (HFC)
Perfluorocarbonos (PFC)
Hexafluoruro de azufre (SF6)
Energía
Quema de combustible
Industrias de energía
Industria manufacturera
y construcción
Transporte
Otros sectores
Emisiones fugitivas de
combustibles
Combustibles sólidos
Petróleo y gas natural
Otros
Procesos industriales
Productos minerales
Industria química
Producción de metales
Otra producción
Producción de halocarbonos y
hexafluoruro de azufre
Consumo de halocarbonos y
hexafluoruro de azufre
Otros
Utilización de disolventes
y otros productos
GASES DE EFECTO DE INVERNADERO Y FUENTES DE EMISIÓN
Agricultura
Fermentación entérica
Aprovechamiento
del estiércol
Cultivo del arroz
Suelos agrícolas
Quema prescrita de
sabanas
Quema en el campo
de residuos agrícolas
Otros
Desechos
Eliminación de
desechos
sólidos en la tierra
Tratamiento de las
aguas residuales
Incineración de
desechos
Otros
Sectores/categorías de fuentes
Fuente: http://www.meti.go.jp/report/downloadfiles/g30819b40j.pdf
PRODUCCIÓN MUNDIAL DE ETANOL
Fuente: http://www.meti.go.jp/report/downloadfiles/g30819b40j.pdf
PRODUCCIÓN DE ETANOL POR PAÍS
PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE GRANOS Y AZÚCAR
Fuente: http://www.meti.go.jp/report/downloadfiles/g30819b40j.pdf
BIORREFINERÍA
Fuente: http://www.purevisiontechnology.com/images/schematic-sept03-608.gif
PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE BIOETANOL
IOGEN
Ontario, Canadá (1970)
2 millones de litros de
enzimas
130 millones de
dólares/25 años
3 millones de litros de
etanol/año
Fuente: http://www.iogen.ca/
PROCESO BC INTERNATIONAL
Fuente: http://www.arkenol.com/Arkenol%20Inc/images/ahflow.gif
PROCESO ARKENOL
PROCESO ACOS
Fuente: http://www.journeytoforever.org/biofuel_library/WoodEthanolReport.html
ASPECTOS AMBIENTALES EN LA PRODUCCIÓN DE ETANOL
ESCALA DE PLANTA Y SUPERFICIE REQUERIDA
Similar a la de una pequeña planta de pulpa y de una planta de etanol a partir de granos
600 toneladas de materia seca
75 millones de litros de etanol/año
242 L/ton (Saddler, 2002 )
25 m3/ha---------500 m3/ha-----------20 años
625 ha/año- 430 ha/año
12, 500 - 8,600 ha
9.294.000 m3 de combustibles (Comisión Nacional de Energías de Chile)
464,7 millones de litros de etanol
52, 460 ha y 76,250 ha
Illini Bio-Energy, Illinois, USA. Prdo. = 189 millones de litro anuales de etanol;
457.199 toneladas de maíz/anuales; 39 empleos. Área= 97 hectáreas.
Fuente: http://www.illinibioenergy.com/proposed.htm
PLANTA DE BIOETANOL
AGUA
Agua en las plantaciones forestales:
P. radiata: 1m3---------241-717m3 H2O (Huber y col., 2004)
20-25 m3------80.000 ha-------- 3,86 x 108 m3 y 4,82 x 108 m3 (evapotranspiración baja) y
1,14 x109 m3--1,43 x 109 m3 (evapotranspiración alta)
Para una plantación de 10.000 ha, se requieren 1,43 x 108 m3/anuales de agua para esa
plantación foresta.
Tratamiento de aguas residuales de una biorrefinería:
Sistemas de recuperación, limpieza y reutilización de aguas.
Evaporación y concentración de sólidos
Torres de calentamiento y enfriamiento de agua
DQO: 3.000-7.000 mg/L
Proceso Demanda Química de
Oxígeno (mg/L)
Demanda Biológica de
Oxígeno (mg/L)
*Demanda Química de
Oxígeno (mg/L)
Enzimático 27.000 13.400 2.938
Madera Blanda 37.000 18.300 4.137
AGUA
Tratamiento anaeróbico puede reducir el DQO en aproximadamente 90%
Tratamiento aeróbico puede tener un rango de DBO y sólidos totales suspendidos de
30mg/L (Merrick &Company, 1998)
Demanda Química de Oxígeno:
C6H12O6 + O2 ------------ 6CO2 + 6H20
DQO(glucosa)= (6 Kmol O2*32Kg/Kmol) (1Kmol glucosa*180 Kg/Kmol)
DQO glucosa= 1,07 Kg oxígeno/Kg glucosa
Componente Factor DQO (Kg DQO/Kg
componente)
Olígomeros y azúcares de 5
y 6 C
1,07
Celobiosa 1,07
Etanol 2,09
Furfural 1,67
Ácido acético, ácido láctico 1,07
Glicerol 1,22
Ácido succínico 0,95
Xylitol 1,22
HMF 1,52
Sólidos solubles 0,71
Solubles desconocidos 1,07
Aceite de maíz 2,89
Olígomeros acetilados 1,07
Acetato 1,07
DQO EN AGUAS RESIDUALES DE LA PRODUCCIÓN DE ETANOL
AIRE
AIRE
La UE se ha propuesto reducir las emisiones de gases de invernadero en 209 millones de toneladas
de CO2 (UE, julio de 2005)
CO2 + 6 H2O + Energía luminosa → C6H12O6 + 6 O2 (C=47 a 51%)
Reducción de CO2:
-de granos/maíz: genera una reducción de 20-40 %
-de Azúcar de remolacha: 30-50%
-Caña de azúcar: 50-90%
-Lignocelulósico: 75-100% de reducción (http://www.biogasol.dk/3me3.htm)
AGRANA Bioethanol GMBH , Austria: 200 millones L/anuales = -400.000 toneladasCO2/año
(Konrad, 2006).
En Chile, al reemplazarse el 5% de la gasolina por etanol, se obtendría una reducción de 1.47 x 109
Kg de CO2/anuales
1.000 kilogramos por persona en el planeta, industria del acero emite 700 millones de toneladas por
año. Al reemplazar 3,78 billones de litros de gasolina, por etanol, se pueden esperar reducciones de
35 a 46% en las emisiones de gases de efecto de invernadero (Gravitis, 1998).
Smog urbano: CO (8-30%) y VOCs (10%) con 10% de etanol mezclado con 90% de gasolina
Emisiones de benceno, tolueno, xileno y tri-metil benzenos, son reducidas entre 5-15%. Las
emisiones de material particulado MP10 y MP2.5, también son reducidas con al utilización de
mezclas de etanol-gasolina (McCloy y col., 1999)
Emisiones de benceno y de otras emisiones tóxicas disminuye en un 25 y 13%, para gasolina
E10, debido a efectos de dilución, octanaje y oxígeno, presentes en las gasolinas E10. (Whitten y
col., 2004).
Las emisiones de formaldehído, acetaldehído, 1,3 butadieno, aumentan. Las emisiones de
acetaldehído en 2020 se estiman en 4.065-12.195 ton/año, superando las emitidas en el 2003, de
3.420 ton/año. Las emisiones de ozono se estiman para el E85, en USA en un promedio de 24
horas de 541,8 ug/m3, con un aumento de aproximadamente 0,26% en comparación con las
emisiones de ozono de la gasolina normal (Jacobson, 2006).
AIRE
Valores máximos de contaminantes en Santiago de Chile, año 2000. (ug/m3)
Contaminante
MP10
24
horas
CO
1 hora
CO
8 horas
SO2
24
horas
SO2
1 año
NO2
1 año
O3
1 hora
Máximo 2000 292 22 15,33 80 14 55 337
Límites máximos admisibles de emisiones, año 2005.
Contaminante
MP10 NOx SOX CO Polvo
Límite máximo admisible
(ton/año)
2605 37464 4503 231480 32279
Fuente: CONAMA (2006)
AIRE
Ruido generado por una planta de celulosa:
Fase de construcción: 65 dB
Fase de operación: 48,3 dB (ruido diurno) y 49.9dB (ruido nocturno).
Transporte: 78,4 dB (BOTNIA, S.A, 2005)
RUIDO
Fuente: http://www.conama.cl/certificacion/1142/articles-29100_recurso_8.pdf
Capítulo VII: El Aire • Octava Región del Bío-Bío
RUIDO
Barreras naturales, aprovechando la presencia de obstáculos nativos y la orografía existente.
Construcción de terraplenes con plantas (reducción de 5-10 dB)
Materiales amortiguadores de ruido en los edificios habitacionales que se van a construir cercanos
a las vías de comunicación con importantes flujos vehiculares (reducción de 15-45 dB)
Empleo de pantallas acústicas anti-ruido que impidan o dificulten la transmisión de las ondas
sonoras, con una reducción de (5 a 16 dB)
Construcción de vías alejadas de los poblados y construidas con pavimentos poco ruidosos como
los porosos y evitar los adoquinados. Estos dos tipos de pavimento originan diferencias entre ambos
en el nivel de ruido, del orden de 3 a 5 dB (Instituto Mexicano de Transporte, 2005).
Insonorizar las principales fuentes emisoras, mediante cubiertas aislantes del sonido.
MEDIDAS DE MITIGACIÓN DEL RUIDO
TRANSPORTE
42 camiones diarios con una capacidad neta de carga de 28 toneladas por cada biorrefinería
Tránsitos: 252 diarios y 91.980 anuales (15.330 por cada biorrefinería)
Bitrén: 38 toneladas de carga neta (+36%). Corporación de la Madera, Región del Bío-Bío
(Transporte Forestal, CORMA, Bío-Bío, 2006).
Tránsitos: 192 diarios y 70.080 anuales
Ácido sulfúrico: 42.950 Kg diarios y 15.6 millones de Kg anuales (c/u de las biorrefinerías)
Regulado por: D.S. Nº 298/94, del Ministerio de Transportes y Telecomunicaciones.
2-3 camiones diarios de H2SO4, 1.000 anuales.
Equipo de seguridad en el transporte de H2SO4: trajes CPF3, botas químicas, guantes de
neoprene, máscara fullface con filtros para gases, polvo y ácido, herramientas para
confinamiento, neutracid para ácido sulfúrico, linternas y extintores de CO2.
TRANSPORTE
TRANSPORTE
Fuente: http://www.navarro.cl/ambiente/CelulosaItata/DIA_Acido_Sulfurico_Final%5B1%5D.pdf
Chile: los costos por accidentes en el transportes de ácido sulfúrico se estiman en
600.000 dólares al año y si se transportan por vía férrea esos costos pueden disminuir
a 373.000 dólares aproximadamente (Borregard, 2002).
SUSTANCIAS PELIGROSAS EN LA PRODUCCIÓN DE ETANOL
Glifosfato: se aplica entre 3 a 7 L/ha; para 75.000 há, se necesitarían entre 225.000 L y 525.000 L.
Riesgos: absorción de 30% a 36% a nivel del tubo digestivo, toxicidad moderada, escasa
metabolización, 97% de la dosis oral se elimina incambiada,de lo absorbido, 15%-29% se excreta por la
orina, 2% por el aire espirado y 70% restante por las heces. vida media de aproximadamente dos días. El
tiempo necesario para la biodegradación de 50% del glifosato,en los suelos es de dos a tres días en
condiciones aeróbicas.
Simazina, la cual es bioacumulable en frutas y aceites; puede tener efectos sobre el hígado, los riñones y
el sistema circulatorio. Lesión genética en humanos, retrasos en el desarrollo del recién nacido) con acción
residual de 30 a 90 días, aplicaciones de 1-2Kg/ha, serían necesarios entre 75.000 y 150.000 Kg.
Surfactantes: 37.500 L.
Galant Plus: 225.000 L:
Lontrel (tóxico para los organismos acuáticos, puede provocar a largo plazo efectos negativos en el
medio ambiente acuático), para 75.000 ha, se necesitarían 52.500 L (García y col., INOFR.).
FERTILIZANTES:
Aplicaciones de 120-180 g de NPK/planta, dependiendo de la calidad del sitio y
el análisis químico del suelo, también se aplica bromo, a razón de 2,5g/planta.
Para una superficie de 75.000 ha, con una densidad de 1.600 árboles/ha, se
requiere entre 14.400-21.600 toneladas de NPK y 300 toneladas de boro .
Riesgos: eutrofización, que es el enriquecimiento de las aguas superficiales con
nutrientes, principalmente fósforo y nitrógeno.
20 % de H2SO4 en aguas residuales de la biorrefinación, neutralizar con cal y
filtrar.
SUSTANCIAS PELIGROSAS EN LA PRODUCCIÓN DE ETANOL
Biorrefinería de 80 millones de litros de etanol anuales:
Fase de construcción: 500 empleos, fase de operación: 50 empleos directos y un estimado de 250
empleos indirectos generados en la región local (Gunnedah, 2006).
Chile:
3000 empleos en la fase de construcción,
300 empleos directos en la fase de operación y 1500 indirectos
Ahorro de 108 millones de dólares en importaciones de petróleo
Ingresos de aproximadamente 277 millones de dólares anuales (SACH, 2005).
utilizar suelos sin uso hoy en día y con el establecimiento de plantaciones forestales,
adquirirían un valor adicional
Vías de comunicación e ingresos económicos, sobre todo la mano de obra empleada para sus
actividades.
IMPACTO SOCIO ECONÓMICO EN LA PRODUCCIÓN DE ETANOL
En Estados Unidos de América:
Se estima que la producción de etanol genera 4.5 billones de dólares a la economía agrícola
11 billones de litros de etanol anuales.
73 plantas construidas y 10 en construcción
112 millones en inversión por cada planta de 151 millones de litros de etanol/anuales (fase
de construcción)
110 millones en compra de granos y pago de salarios; 192.000 empleos.
Unión Europea:
250.000 -300.000 empleos
inversión de 8 mil millones de dólares
Para ser competitivo con combustibles fósiles: precio del barril de petróleo: 124 dólares
IMPACTO SOCIO ECONÓMICO EN LA PRODUCCIÓN DE ETANOL
COSTOS DE PRODUCCIÓN DEL ETANOL
Materia prima Fuente Costo del
Producto ($/L)
Costo de
Distribución
($/L)
Costo
Total
($/L)
Madera-
hidrólisis
ácida
USA 0,42 0,06 0,48
Paja -hidrólisis
ácida
Unión
Europea
0,81 0,05 0,86
Trigo Unión
Europea
0,60 0,05 0,65
Maíz USA 0,30 0,06 0,36
Azúcar de
remolacha
Unión
Europea
0,066 0,06 0,72
Caña de azúcar Brasil 0,24 0,06 0,30
Fuente: AEA Technology. Departamento de Transporte del Reino Unido, 2003.
BALANCE ENERGÉTICO
El contenido de energía del bioetanol es de 26,7 GJ/tonelada (0,021 GJ/L), con una densidad
de 0,789 Kg/L. La eficiencia combustible del etanol, es similar a la gasolina convencional, que
es de 2,98 MJ/Km (Departamento de Transporte del Reino Unido, 2003)
Por cada unidad de energía fósil utilizada en producir etanol, se obtiene 0,778 unidades de
energía, 0,688 unidades de energía de switchgrass (planta nativa de USA) y 0,636 para el
etanol de madera (Wan Ho y col., 2006)
Para obtener la energía de 3,78 L de gasolina se necesitan combustionar 6,048 L de etanol
(Patzek, 2003).
BALANCE ENERGÉTICO EN LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES
Fuente: Ministerio de Energía y Transporte de Japón. http://www.meti.go.jp/report/downloadfiles/g30819b40j.pdf
OTROS IMPACTOS AMBIENTALES EN LA PRODUCCIÓN DE ETANOL
El uso de agroquímicos puede causar alteración en las poblaciones de animales, ligadas a la
alimentación, refugio y oportunidades de reproducción.
EL establecimiento de plantaciones, favorece la desaparición de especies nativas, por competencia,
cambios en el suelo y aparición de plagas. Los incendios que se pueden producir en las plantaciones
forestales, es otro aspecto que afecta a la flora nativa (Ballesteros y col., 2006)
Para plantaciones de P. radiata, los costos ambientales varían desde 2.246 US$/ha (5,61 US$/m³)
hasta 1.019 US$/ha (2,55 US$/m³).En Chile se estima un gasto de 30 a 50 millones de dólares anuales
por concepto de costos ambientales relacionados al componente ambiental suelo (Ganoso, 1996).
Herencia cultural e histórica.
El impacto ambiental, más importante, asociado a la producción de bioetanol, es la utilización del
suelo para la producción de materia prima, con su incidencia en la posible disminución de fertilidad
del suelo, la disponibilidad y calidad del agua, desplazamiento de poblaciones y la posible utilización
de suelos destinados a la producción de alimentos, para plantaciones forestales.
El aumento en las emisiones de acetaldehído y ozono, y sus efectos en la salud, por la utilización
de etanol como combustible, requiere estudios más amplios y adaptados a las condiciones climáticas-
ambientales, que existen en Chile, representando un potencial riesgo en ciudades con alta
contaminación por smog como Santiago.
CONCLUSIONES
Los costos ambientales en la producción de etanol, pueden ser altos, debido a la
utilización de sustancias peligrosas, que afectarían la biota circundante a las plantaciones
y plantas de biorrefinación.
No existe un proceso de producción de etanol a partir de madera, ensayado a escala
industrial, por lo tanto los balances de energía y costos de producción, estimados a través
de modelos matemáticos e informático, y de similitudes del proceso, con el de
producción de pulpa, pudieran ser mayor, específicamente en los procesos en los cuales
se utilizan microorganismos, que requieren condiciones específicas para su correcto
desempeño.
Los impactos positivos de la utilización de etanol como combustible, son la reducción
de emisiones de gases de efecto de invernadero, los empleos generados por la actividad,
la independencia energética del país y la recuperación de suelos degradados y sin usos,
para establecer plantaciones forestales.
CONCLUSIONES
GRACIAS
Current Comparison: Ethanol from Corn
v. Cellulosics
HighLowTransportation cost of raw materials
70-8098Ethanol yield per dry ton, gallons
Up to twice corn
ethanol
$1.10Ethanol cost of production, per gallon
HighLowLabor use in processing plants
72Fermentation time, number of days
414-20Alcohol content of beer, percent
Self-sufficientNat. gas & Elec.Energy used in processing
ElectricityProtein & oilByproducts
30-50 cents3 centsEnzyme cost, per gallon
ComplexSimpleConversion process
$4.30 -$5.44$1.25-$1.50Capital cost to build plant, per gallon
Cellulosic
materials
Corn
Estimates by USDA/OCE from various sources
http://www.usda.gov/oce////newsroom/congressional_testimony/sentstbiofuels8-26-06_.doc
RESPONSABILIDAD SOCIAL 2004-ABENGOA