Biotecnología

 

Biocombustibles en Chile. I. Identificación y balance energético de la producción de materias primas y de biocombustibles

 

Biofuels in Chile I. Identification and energy balance of raw materials and biofuels production

 

R. Augusto Ortega–Blu*, R. Eduardo Muñoz–Lagos, L. Gonzalo Acosta–Espejo, R. Alberto González–Platteau

 

Departamento de Industrias, Universidad Técnica Federico Santa María. Avenida Santa María 6400, Vitacura, Santiago–Chile. Código postal 7660251. * Autor responsable: (rodrigo.ortega@usm.cl).

 

Recibido: Junio, 2009.
Aprobado: Agosto, 2010.

 

RESUMEN

El objetivo de este estudio fue determinar si la producción de biocombustibles en Chile es sostenible, mediante balances energéticos (BE) y evaluaciones económicas, además de un modelo de localización de centros de acopio y plantas productoras. Se seleccionaron cinco cultivos y se definieron los sistemas productivos más representativos. Luego se estudiaron los procesos de producción de etanol y biodiésel y se realizaron balances energéticos en campo y planta. Se concluyó que el maíz (Zea mays L.) presentó los mayores rendimientos de etanol y un BE más alto, aunque con una eficiencia energética baja. Esto se debió a los altos costos energéticos, de los cuales el nitrógeno fue responsable del 67%. El raps (Brassica napus L.) presentó un BE superior al del maíz y una mejor sensibilidad al costo energético primario.

Palabras clave: Brassica napus, Triticum aestivum, Zea mays, balance energético, biodiésel, etanol.

 

ABSTRACT

The objective of this study was to determine whether the production of biofuels in Chile is sustainable through energy balance (EB) and economic evaluations, as well as a location model of collection centers and manufacturing plants. Five crops were selected and the most representative production systems were defined. Then the processes of ethanol and biodiesel production were studied and energy balances were carried out in the field and plant. It was concluded that maize (Zea mays L.) had the highest yields of ethanol and a higher BE, but with a low energy efficiency. This was due to high energy costs, of which nitrogen was responsible for 67%. Raps (Brassica napus L.) recorded a higher BE than that of maize and showed a better sensitivity to primary energy cost.

Keywords: Brassica napus, Triticum aestivum, Zea mays, energy balance, biodiesel, ethanol.

 

INTRODUCCIÓN

El abastecimiento energético condiciona el desarrollo económico de los países y tiene variadas consecuencias ambientales, según la fuente de energía utilizada. Lo anterior es especialmente relevante si se considera que más del 80% de la energía usada en el mundo proviene de fuentes no renovables (IEA, 2007). Dado los actuales niveles de consumo y el ritmo de crecimiento de la demanda mundial de energía, se calcula que en el 2030 el consumo de petróleo habrá aumentado en 42% (FAO, 2008). Esta situación pone en riesgo las reservas del combustible fósil, por lo que es indispensable encontrar fuentes alternativas de energía.

En Chile el suministro energético crece a tasas menores que la economía, hay una escasa diversificación de la matriz energética y, por tanto, una elevada dependencia de los países productores de hidrocarburos. Según la Comisión Nacional de Energía (2006) se importa 70% de la energía requerida. Los nuevos proyectos de construcción de centrales hidroeléctricas en la Patagonia también han generado críticas a causa del gran impacto ambiental que provocarían. Así, la producción de biocombustibles a partir de granos adquiere importancia pues reduciría la dependencia energética debido a la diversificación y mayor proporción de energía nacional. Además reactivaría la economía en sectores rurales a través de un mayor empleo y actividades asociadas a la producción de biocombustibles y disminuiría el impacto ambiental por una menor emisión de gases de efecto invernadero (FAO, 2008).

Los biocombustibles se producen de biomasa y los más importantes son etanol y biodiésel. El primero se obtiene de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.), papa (Solanum tuberosum L.), remolacha (Beta vulgaris L.), maíz (Zea mays L.) y otros cereales (FAO, 2008) y en la industria se usa como solvente, bebestible y combustible alternativo. En este último caso puede utilizarse en mezclas con gasolina desde 5 a 95%, y la de mayor uso es la E10: 10% etanol y 90% gasolina ((S&T)² Consultants Inc., 2003). También se puede usar al 100% en vehículos especialmente diseñados (Brasil). Dada la actual especificación de calidad de las gasolinas, en Chile sólo se podría ofrecer la mezcla E5 (5% etanol y 95% gasolina). Una modificación de la norma permitiría usar la E10, una mezcla tolerada por los actuales vehículos, con beneficios sustanciales para el ambiente.

El biodiésel es un combustible para motores diésel que se produce de grasas animales y aceites vegetales nuevos o usados. Normalmente se obtiene de aceites de soja (Glycine max L. Merr.), maravilla (Helianthus annuus L.), raps (Brassica napus L.), ricino (Ricinus communis L.), jatropa (Jatropha curcas L.) y cártamo (Carthamus tinctorius L.) (FAO, 2008). En su producción se obtiene glicerina como subproducto que se puede usar como solvente, humectante, emulsionante, suavizante, anticongelante, y materia prima para elaborar nitroglicerina y jabones (Van Gerpen et al., 2005). El biodiésel es apto como sustituto parcial o total del gasóleo en motores diésel y se puede usar en vehículos con motores de combustión interna al 100% (B100) o en mezclas de proporciones variables. El uso más común es B20: 20% biodiésel y 80% diésel de petróleo (Van Gerpen et al., 2005).

Para analizar el potencial de producción de los biocombustibles es necesario estudiar los aspectos técnicos, económicos y ambientales. La disponibilidad de tierras, el balance de energía, la localización de instalaciones y los costos de producción son algunos elementos claves en una evaluación integral. Con base a estas consideraciones se realizó un estudio para evaluar el potencial de producción de los biocombustibles en Chile usando cultivos extensivos. El estudio fue dividido en tres partes; el presente artículo corresponde a la primera de ellas y los objetivos fueron:

1) identificar los principales sistemas productivos de los cultivos anuales seleccionados como potenciales materias primas para producir biocombustibles; y

2) desarrollar balances de energía para los procesos seleccionados en toda la cadena productiva.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Se seleccionaron cinco cultivos para la producción de biocombustibles: trigo (Triticum aestivum L.), maíz y arroz (Oryza sativa L.) para la producción de etanol, y raps y maravilla para la producción de biodiésel.

Se analizó la superficie y el rendimiento en cada provincia de los cinco cultivos seleccionados usando datos obtenidos de fuentes oficiales (INE, 1997; ODEPA, 2008) y empresas privadas. La información fue cruzada con datos de zonas agroecológicas y validada con entrevistas a expertos. Con lo anterior y considerando la información publicada por González et al. (2000) y Velasco y González (2004), se definieron los sistemas productivos predominantes para cada cultivo seleccionado, generando fichas técnicas individuales.

Se seleccionó la molienda seca como proceso de producción de etanol ((S&T)² Consultants Inc., 2003), cuyas etapas se presentan en la Figura 1. La fermentación se produce en condiciones anaeróbicas de acuerdo al siguiente equilibrio (ecuación 1):

Para la producción de biodiésel se consideró la transesterifi–cación alcalina (Van Gerpen et al., 2005). Es una reacción de 100 kg de aceite vegetal con 10 kg de alcohol (metanol) en presencia del catalizador básico, produciendo 100 kg de éster y 10 kg de glicerina (ecuación 2):

Las etapas del proceso productivo se presentan en la Figura 2.

Para la producción de biodiésel usando semillas de oleaginosas se agrega la etapa de prensado para extraer aceite. Los subproductos obtenidos en esta etapa (tortas) se pueden usar en la alimentación animal como sustitutos de otras fuentes proteínicas.

Se usaron los valores máximos de rendimiento de etanol y biodiésel obtenidos en plantas modernas en funcionamiento, usando los datos publicados por Farrel et al. (2006) y Johnson (2005) y aportes de organizaciones públicas y privadas.

Para determinar si la producción de biocombustibles con granos es ambientalmente sostenible, se realizaron balances energéticos (BE) en campo según los procedimientos de Hetz (1994) y Hetz y Barrios (1997). El balance no incluyó la energía solar pues se consideró que está siempre presente, permitiendo la fotosíntesis y producción de semillas. Todos los insumos y productos usados fueron convertidos a valores de energía, de acuerdo con el modelo EBAMM versión 1.1 de la Universidad de California Berkeley (Farrell et al., 2006; Hetz y Barrios, 1997). Se desarrolló una planilla Excel que incorpora cada factor del BE, la cual puede ser modificada según el escenario evaluado. Dada la elevada variabilidad en algunos de los valores de energía reportados, se usó un criterio arbitrario basado en el coeficiente de variación (CV) de los valores disponibles para su selección: para valores de energía con CV < 60% se consideraron los promedios; con CV >60% se aplicó criterio experto. El costo energético de la maquinaria se calculó según lo establecido por Hetz y Barrios (1997).

Se realizó un BE para cada cultivo y sistema productivo en campo. Además, para etanol y para biodiésel se efectuó un BE global incluyendo los costos energéticos en campo y en la planta procesadora, es decir, desde la producción del grano hasta la producción de los biocombustibles. Los indicadores fueron:

Este último se usó sólo para el BE en campo. Para el BE en planta se usaron los costos energéticos sugeridos por Farrell et al. (2006). El valor de energía primaria para una planta de etanol se definió en 9.71 MJ L^–1 (Tiffany y Eidman, 2003). Como este valor es muy relevante en el resultado del BE del proceso completo, se realizó un análisis de sensibilidad para este parámetro efectuando BE con valores de energía primaria de 7, 10, 13, 16 y 19 MJ ha^–1. Para una planta de biodiésel el valor de energía primaria se estableció en 1.61 MJ L^–1 y se efectuó un análisis de sensibilidad con valores de 1.12, 1.6, 2.08, 2.56 y 3.04 MJ L^–1, que corresponden a 70, 100, 130, 160 y 190% del costo energético usado en la evaluación.

Los valores usados en la evaluación energética de cada escenario y su fuente, se presentan en el Cuadro 1. Un alto número de los valores de energía usados proviene de la literatura, particularmente de EE.UU.; dichos valores debieran ajustarse bastante bien a la realidad chilena porque los híbridos y variedades usadas son similares, igual que las tecnologías en campo y planta.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Identificación de los sistemas productivos de cultivos para etanol

Arroz

Durante la temporada 2006/2007 se sembraron aproximadamente 26 500 ha entre la Región VI y la VIII (34° a 36° S), con un rendimiento promedio de 5.3 t ha^–1 (ODEPA, 2008). Alrededor del 78% de la producción de arroz se concentra en la VII Región, particularmente en el área regada por el embalse Digua. El sistema productivo predominante en Chile es arroz–descanso, con intensidades variables de este último, de uno a tres años. Sólo en la VI Región la rotación del cultivo del arroz es con otras especies como el maíz. Se seleccionaron tres zonas de producción, ubicadas en las Regiones VI, VII y VIII (identificadas como A1, A2 y A3). Con las variedades actuales, el rendimiento potencial es 9 t ha^–1; sin embargo, para el presente estudio se determinó que con una agricultura por contrato el rendimiento posible es 7 t ha^–1.

Maíz de grano

Aunque se cultiva en gran parte del país (31° a 41° S), el 97% se concentra entre la Región Metropolitana (RM) y la VIII Región (33° a 37° S). Durante la temporada 2006/2007 se cultivaron poco más de 134 000 ha con un rendimiento promedio de 11.6 t ha^–1 (ODEPA, 2008). Tradicionalmente, los mayores rendimientos se obtienen en la RM y VI Región, con valores mayores a 12 t ha^–1.

Los rendimientos potenciales pueden superar las 20 t ha^–1, lo que está determinado principalmente por el sistema de producción, el híbrido usado, la rotación de cultivos, la fertilización y el riego. La fertilización se basa fundamentalmente en nitrógeno, con dosis de 300 a 500 kg N ha^–1, y la urea (46% N) es la principal fuente. En la RM y la VI Región es común el monocultivo de maíz con híbridos de ciclo más largo, mientras que en las Regiones VII y VIII se usan híbridos más precoces en rotación con trigo y otros cultivos de primavera. Se seleccionaron zonas de producción en la VI, VII y VIII Regiones, con labranza tradicional e identificadas como M1, M2 y M3. El rendimiento calculado fue de 12 t ha^–1, valor alcanzable con un sistema de agricultura por contrato.

Trigo

En años recientes la superficie cultivada en Chile ha disminuido notablemente, pero el trigo es la especie más importante por ser la base de la dieta nacional. En la temporada 2006/2007 se cultivaron 282 400 ha entre la Región IV y la X (29° a 44° S) con un rendimiento promedio de 4.7 t ha^–1 (ODEPA, 2008). Cerca del 90% de la producción provino de las Regiones VI a IX (34° a 41° S). Los factores de manejo que inciden en la producción de este cereal son el cultivar usado, la preparación del suelo, la fertilización y la disponibilidad de agua. El trigo se cultiva en condiciones de secano y de riego; con riego el rendimiento potencial supera las 10 t ha^–1 pero en secano varía de 6 a 9 t ha^–1, según la zona agroecológica (precordillera andina o secano interior) y la fertilización usada. Los sistemas productivos más representativos son: riego en el valle central de la VII Región (T1); secano interior de la VIII Región (T2); cero labranza en el secano interior de la VIII Región (T3); precordillera andina de la VIII Región (T4); y cero labranza en la precordillera andina de la VIII Región (T5).

Rendimiento de materias primas para etanol

Las plantas procesadoras más comunes son las de molienda seca, con una capacidad anual de producción de 80 000 a 100 000 m³ (dependiendo del cultivo usado). Estas plantas son multi–alimentadas, es decir, pueden operar usando distintos granos (o combinaciones) como materia prima (Tiffany y Eidman, 2003). Los rendimientos de etanol y subproductos al usar arroz, maíz y trigo se presentan en el Cuadro 2.

Identificación de los principales sistemas productivos de cultivos para biodiésel

Maravilla

Se cultiva en suelos regados de la zona central de Chile (34° a 36° S). Desde la década de 1990, la superficie cultivada en el país cayó drásticamente debido a la fuerte competencia de mezclas de aceite provenientes de Bolivia y Argentina. En años recientes se ha producido un repunte, particularmente de semilleros para la producción de híbridos. Durante la temporada 2006/2007 se cultivaron 2680 ha, con un rendimiento promedio de 2.1 t ha^–1 (ODEPA, 2008). Por ser un cultivo de primavera y por tanto de riego, utiliza los mismos suelos que el maíz. Los manejos realizados por las empresas productoras de semilla difieren de aquellos para el cultivo destinado a la producción de aceite, lo que dificulta obtener coeficientes técnicos apropiados para distintas zonas agroecológicas. Por tanto, sólo se seleccionó un sistema productivo: labranza tradicional en la VII Región del Maule (G1).

Raps

Se cultiva principalmente para aceite vegetal y para la alimentación animal. Originalmente, el aceite y afrecho (salvado) de raps tenían un alto contenido de ácido erúcico y glucosinolatos, compuestos tóxicos en dosis altas. En Canadá se obtuvo variedades con niveles menores a 2% de ácido erúcico y 30 mmol g^–1 de glucosinolatos, que se conocen con el nombre genérico de canola.

En la temporada 2006/2007 se cultivaron en Chile 16 650 ha, concentradas principalmente en el valle central y precordillera andina de las regiones VII a X (35° a 41° S). La IX Región es la más importante con un rendimiento de 2 a 5 t ha^–1 (ODEPA, 2008). Se seleccionaron dos sistemas productivos en la precordillera de la IX Región: uno con labranza tradicional (R1) y otro con cero labranza (R2).

Rendimiento de materias primas biodiésel

En el Cuadro 3 se presentan los rendimientos de biodiésel, torta seca y glicerina obtenidos en una planta que funciona a plena capacidad, usando granos de oleaginosas.

Balance energético para la producción de etanol

Todos los sistemas productivos seleccionados presentaron BE positivos y similares a los publicados por Hetz (1994). Sin embargo, la eficiencia energética (REN) fue menor a los valores reportados, especialmente para el caso del maíz (Cuadro 4). Esto se debería a los mayores niveles de insumos requeridos para producir rendimientos similares, si se compara con la década de 1980 y principios de la de 1990.

En campo, 80% del costo energético correspondió a insumos, destacando el nitrógeno que representó 2/3 del total. Esta situación es especialmente importante en el cultivo del maíz, dado que en Chile se usan elevadas dosis de N (> 450 kg N ha^–1).

El BE global fue positivo para todos los sistemas productivos, con valores de REN de 1.22 (T3) a 1.51 (M1) que concuerdan con los resultados de Farrell et al. (2006). Para etanol el mejor balance energético fue para M1, mientras que en biodiésel fue para R2 (Cuadro 5).

Según el análisis de sensibilidad, con un valor de energía primaria superior a 16 MJ L^–1 el BE es cercano a cero. Aquí, la tecnología de la planta es fundamental para definir el BE en la producción de etanol.

Para realizar un BE con menor incertidumbre, lo ideal sería contar con valores de energía obtenidos localmente, para cada factor considerado en el balance. Sin embargo, el uso de valores de literatura, particularmente provenientes de EE.UU., no invalida los resultados obtenidos en el presente estudio dada la similitud con las variedades, insumos y tecnologías usadas en Chile. Además, el análisis de sensibilidad realizado con los valores de energía primaria en la planta, reveló que incluso usando plantas procesadoras ineficientes que utilicen 60% más de energía, el BE en etanol sería positivo o neutro (cero)en todos los escenarios evaluados.

Balance energético para la producción de biodiésel

Los resultados obtenidos en el BE fueron positivos para ambos cultivos, con valores de REN de 1.92 (GI) y 2.21 (R2). En el balance se consideró todo el gasto energético posible en planta, incluido el costo de prensado de las semillas, el lavado y la recuperación del alcohol. También se incorporó el costo de tratamiento de las aguas servidas, que duplicó al del etanol, debido a las dificultades para disponer la glicerina.

En el análisis de sensibilidad se observó que aún duplicando los costos energéticos, los valores de REN eran muy superiores a 1, lo que contrastó con lo obtenido para etanol. Ello se debe a que el costo de energía primaria para la producción de biodiésel es aproximadamente 1/5 del etanol. Así, desde el punto de vista energético en las condiciones nacionales, sería más factible producir biodiésel con base a raps que etanol con base a maíz.

 

CONCLUSIONES

En Chile existe una gran diversidad de sistemas de producción de materias primas para la elaboración de biocombustibles (BC) y los cultivos que presentan mayores rendimientos de BC son el maíz y raps.

Los rendimientos de biocombustibles en planta procesadora dependen directamente de la materia prima y el proceso utilizado, y en promedio son menores para el etanol. Además, el costo energético de producir etanol es alrededor de ocho veces el del biodiésel. En el etanol, el balance energético está fuertemente influenciado por el nivel de energía primaria usada en el proceso productivo, la que depende de la tecnología utilizada en la planta procesadora.

En el campo el balance energético está determinado por el sistema productivo, en especial la dosis de nitrógeno utilizada.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a ODEPA, en especial al Dr. André Laroze B., a la CNE y a la Fundación para la Innovación Agraria, por financiar este estudio. Además agradecen a las personas y empresas privadas en general que entregaron valiosa información para el desarrollo de la investigación.

 

LITERATURA CITADA

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