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