BALANCES ENERGÉTICOS DE LOS BIOCARBURANTES DE ORIGEN VEGETAL: 1. ETANOL DE CEREALES. 2. BIODIESEL DE OLEAGINOSAS - Jornada La energía y la ...
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BALANCES ENERGÉTICOS DE LOS BIOCARBURANTES DE ORIGEN VEGETAL: 1. ETANOL DE CEREALES. 2. BIODIESEL DE OLEAGINOSAS. Jornada La energía y la agricultura, Lleida 26 septiembre 2007
Marco. Ø Acuerdo de colaboración entre el Ministerio de Medio Ambiente y el CIEMAT: ”Análisis de Ciclo de Vida Comparativo de combustibles alternativos para el transporte. •Fase I. Análisis de ciclo de vida comparativo del etanol de cereales y la gasolina •Fase II.Análisis de ciclo de vida comparativo del biodiesel y del diesel” Ø Resultados publicados http://www.energiasrenovables.ciemat.es/
Objetivos. Ø Evaluar, cuantificar y comparar los impactos medioambientales de combustibles con funciones equivalentes: • el etanol obtenido a partir de cereales • la gasolina • el biodiesel obtenido a partir de aceites vegetales crudos • el diesel a lo largo de todo su ciclo de vida. Ø Identificar las oportunidades para reducir dichos impactos ambientales
Metodología Análisis de Ciclo de Vida (UNE-EN-ISO 14040-44) “El ACV es una técnica para evaluar los aspectos medioambientales y los potenciales impactos asociados con un producto mediante: • la recopilación de un inventario de las entradas y salidas de materia, energía y emisiones. • la evaluación de los potenciales impactos medioambientales asociados • la interpretación de los resultados.” Todo ello a lo largo de la vida del producto “DE LA CUNA A LA TUMBA”
Análisis de Ciclo de Vida
ENTRADAS Adquisición de SALIDAS
materias primas Emisiones
Atmosféricas
Materias Efluentes
Primas Producción Líquidos
Uso/Reuso/
Mantenimiento
Residuos
Energía Sólidos
Reciclado Coproductos
Gestión del Residuo
Otros VertidosSistemas estudiados. BIOETANOL Ø Sistema A1: Producción y uso de etanol mezclado al 85% con gasolina (E85) Ø Sistema A2: Producción y uso de etanol mezclado al 5% con gasolina (E5) Ø Sistema B: Producción y uso de gasolina ontenida a partir del refino de petróleo en un vehículo de combustible flexible (Ford Focus 1.6i 16V Zetec Flexifuel) siguiendo el ciclo de conducción definido en la directiva 98/69/CE
Sistemas estudiados. BIODIESEL. Ø Sistema BD5A1: Producción y uso de biodiésel obtenido de aceites vegetales, mezclado con diésel al 5% . Ø Sistema BD10A1: Producción y uso de biodiésel obtenido de aceites vegetales, mezclado con diésel al 10% . Ø Sistema BD100A1: Producción y uso de biodiésel obtenido de aceites vegetales, al 100% . Ø Sistema Diésel EN-590: Producción y uso de diésel obtenido a partir del refino de petróleo, en un vehículo diesel (Ford Focus 1.8 Tddi 90 CV) siguiendo el ciclo de conducción definido en la Directiva 98/69/CE
Fuente de los datos. Ø AOP. Datos relativos a la extracción, transporte y refino del petróleo para producir gasolina en las refinerías españolas. Ø ETSI Agrónomos (UPM). Datos relativos a las etapas de producción agrícola de los cereales en España. Ø Abengoa Bioenergía. Datos relativos a sus plantas de producción de etanol de Cartagena y Curtis Ø Bunge-MOYRESA. Datos referidos a la obtención de aceite vegetal de semillas de oleaginosas. Ø BIONOR, BIONET EUROPA y ACCIONA Biocombustibles. Datos relativos al proceso de transformación del aceite a biodiésel. ØFord. Datos relativos a las emisiones y consumos de combustible del vehículo de referencia con los distintos combustibles considerados.
Unidad funcional. Base de comparación La cantidad de combustible expresada en MJ de cada tipo de combustible que es necesaria para recorrer un km en un vehículo de combustible flexible (Ford Focus 1.6i 16V Zetec Flexifuel) o en un vehículo diesel (Ford Focus 1.8 Tddi) en un ciclo de conducción determinado (Directiva 98/69/CE). E85: 2.24 MJ/km E5: 2.36 MJ/km Gasolina: 2.36 MJ/km Diesel, biodiesel y mezclas: 1.89 MJ/km
Procesos implicados. Bioetanol
Sistemas A1(E85) y A2 (E5) Sistema de referencia Sistema B (E0)
Producción Exploración
herbicidas
Tierra en
retirada
Producción Cultivo
fertilizantes cereal Producción Gas Extracción
Paja Heno crudo
de heno natural
Producción
semilla
Grano Crudo
Transporte Transporte
Cultivo
DDGS Grano cereal Otros
Transformación a Productos de Refino
etanol refinería
Producción
Electricidad
electricidad de
mix
electricidad
Etanol Gasolina
Transporte y Transporte y
distribución distribución
Uso final Uso final
E85: 2.24 MJ y E5: 2.36 MJ 1 km recorrido E0: 2.36MJProcesos implicados. Biodiesel aceites crudos
Sistemas BD100A1 y BD10A1 Sistema de referencia Sistema DIESEL EN-590
Producción Tierra en
Cultivo
herbicidas retirada Exploración
oleaginosas
colza, soja,
Producción girasol y palma
Producción de
fertilizantes Cáscara de gasoil
palma Extracción
Semilla Gas
Producción natural crudo
semilla
Harina Producción de
Harinas
de soja harina de soja
Transporte Crudo
Lecitina
de soja
Extracción del aceite Aceite
de soja
Transporte
Aceite de
palmiste
Otros
Aceite Aceite Productos de Refino
de colza refinería
Transporte Harina
de colza
Producción de
Diesel
aceite de colza
Producción biodiesel
Glicerina
Biodiesel
Transporte y
distribución
Glicerina Producción
sintética de glicerina
Transporte y sintética
distribución
Uso final
Uso final
BD10A1: 1.89 MJ 1 km recorrido Diesel: 1.89MJ
BD100A1: 1.89 MJTipos de energía inventariados Solo energía no-renovable Ø Energía de proceso: entrada de energía requerida y consumida en el proceso considerado Ø Energía de producción y transporte: entrada de energía en los procesos que extraen, procesan, refinan y transportan energía o materias primas al proceso considerado. Ø Energía inherente: energía de las materias primas. Ø Energía total: suma de todos los conceptos anteriores
Asignación Ø En los procesos en los que se existen co-productos Ø Según la norma UNE-EN-ISO 14040 “los flujos de materia y energía, así como las emisiones al medio ambiente asociadas, se deberán asignar a los diferentes co-productos de acuerdo a procedimientos claramente establecidos” Ø Evitar la asignación por extensión de los límites del sistema. Consiste en tener en cuenta las cargas totales del proceso y restar las cargas ambientales que se producen en un sistema alternativo que proporciona el mismo servicio que el co-producto que estamos analizando.
Resultados. Balance de energía cultivo de trigo para
bioetanol
MJ/ha después MJ/tm.s. Contribución
MJ/ha de asignación trigo. relativa (%)
Labores agrícolas 2285,21 1783,64 523,21 21,56
Alzar 408,26
Abonado de fondo 204,59
Pase de grada 204,59
Obtención Gasoil: 2515 Grano:
gasoil y MJ/ha Transporte Pase de cultivador 237,47
3,409 t/ha
distribución grano Fertilización de
de gasoil cobertera 204,59
400 km 1363,6 tkm
Cultivo camión Siembra 150,70
Abonos:
del trigo Tratamiento
8/15/15 300 kg/ha
Fabricación Nitrato amónico Cosecha 657,61
y transporte cálcico 300 kg/ha Empacar 223,77
de abonos 180 tkm camión
Fabricación
Paja: 3,409
fertilizantes 6176,92 5977,96 1753,58 72,25
t/ha
Fabricación pesticidas 0,00 -9,20 -2,70 -0,11
Producción Semilla: 165kg/ha
y transporte 8.25tkm camión Transportes insumos 574,69 521,10 152,86 6,30
de semilla TOTAL
8758,22 8273,50 2426,96
Transporte del grano a
la planta de etanol 1670,40
TOTAL incluido
transporte del grano 4097,36Resultados. Balance de energía cultivo de cebada
para bioetanol MJ/ha después MJ/tm.s.
Contribución
relativa (%)
MJ/ha de asignación cebada
Labores agrícolas 2153,86 1681,00 565,99 27,40
Obtención
gasoil y Alzar 492,33
distribución Gasoil: 2612 MJ/ha Abonado de fondo 77,44
de gasoil Grano: 2,97 t/ha Pase de grada 206,52
Pase de cultivador 143,83
Abonos:
8/15/15 250 kg/ha Transporte Fertilización de
Fabricación 600 km cobertera 77,44
Nitrato amónico Cultivo grano
y transporte cálcico 170 kg/ha Siembra 172,41
126 tkm camión de 1.782 tkm
de abonos camión Tratamiento 103,26
la cebada
Cosecha 663,81
Producción Empacar 225,88
Semilla: 170kg/ha
y transporte 8,5tkm camión Fabricación
de semilla Paja: 2,97 t/ha fertilizantes 4194,71 4021,37 1354,00 65,54
48,70 MJ/ha Herbicidas:
Fabricación pesticidas 72,94 64,92 21,86 1,06
2,4D: 150 g/ha
Fabricación MCPA:270 g/ha
y transporte 0,24 tkm camión Transportes insumos 415,55 368,86 124,20 6,01
de 1,2tkm tren TOTAL
herbicidas 6558,46 6136,16 2066,05
Transporte del grano a
la planta de etanol 2851,2
TOTAL incluido
transporte del grano 4917,25Resultados. Balance de energía proceso de
transformación a bioetanol
Balance energético
MJ/kg
etanol
Molienda Energía del proceso No-
Cereal
renovable
Mezcla Gas natural 27.186
MJ/kgetanol 27.186
Reactivos Cocción CO2 Energía de las mp
Acido sulfúrico kg/kg etanol 0.007 0.024
Licuefacción
Acido fosfórico kg/kg etanol 0.001 0.004
Gas Cogeneración Urea
Fermentación Electricidad kg/kg etanol 0.001 0.022
TOTAL 27.236
Destilación y Deshidratación
Decanatación Vinazas Asignación por extensión de los límites del sistema
kg trigo
kgDDGS/kg evitado/kg
Evaporación Productos evitados etanol etanol
Etanol DDGS
DDGS/trigo 1.521 1.186 2.984
kWhevitados/kg etanol
Transporte del etanol Secado
Electricidad 4.255 15.317
Pelletización 18.302
Límites del sistema
TOTAL despues de asignación 8.93
Extensión de los límites del sistemaResultados. Consumo de energía fósil. BIOETANOL
3.000
2,778
2,747
2.500
Distribución mezclas
2.000 Refino
MJ Efosil/km
1,778
Transporte crudo
1.500 Extracción crudo
Transformación a etanol
1.000
Transporte grano
Producción grano
0.500
0.000
E85 E5 E0Resultados. Ahorro de energía fósil. BIOETANOL
40% 36%
35%
E85: 1 MJ por cada
30% km recorrido (36%)
% energía fosil /km
25%
20% E5: 0,031 MJ por
15%
cada km recorrido
(1,12%)
10%
5%
1,12 %
0%
E85 E5Resultados. Emisiones de gases de efecto
invernadero. BIOETANOL
250
206
198
200 Uso
Distribución de las mezclas
g CO2 equiv/km
150 Refino
Transporte crudo
Extracción crudo
100
Transformación a etanol
61 Transporte grano
50 Producción grano
0
E85 E5 E0Resultados. Balance de energía cultivo de colza
para biodiesel
Obtención Gasoil: 1618 Grano:
gasoil y MJ/ha Transporte MJ/ha
1,397 t/ha incluída
distribución grano producción
de gasoil de semilla MJ/ha MJ/ha MJ/tm.s. colza
Abonos: 100 km 139,7 tkm MJ/ha Factor evitados por despues de Producción Contribución
Cultivo camión colza 1.0089 la paja asignacion 1.397 t m.s. relativa (%)
15/15/15 200 kg/ha
Fabricación Nitrosulfato
Labores agrícolas 1618 1632.64 107.14 1525.50 1168.67 20
de colza Alzar 446.78 450.76 322.66
y transporte amónico: 300 kg/ha
210 tkm camión Abonado de fondo 111.94 112.94 80.85
de abonos (Pase de grada) 139.93 141.18 101.06
Herbicidas: Paja: Pase de cultivador 259.87 262.18 187.68
Fabricación 1,65 t m.s./ha Fertilización de
Trifluralina 1,8 kg/ha
cobertera 111.94 112.94 80.85
y transporte Trialato: 3 kg/ha
Siembra 164.92 166.39 119.10
Haloxifop: 2 kg/ha
de 0,5024 tkm camión
Pase de grada 139.93 141.18 101.06
herbicidas Tratamiento 251.88 254.12 181.90
2,512 tkm tren
Cosecha 259.87 262.18 187.68
Fabricación
Producción Semilla: 10 kg/ha fertilizantes 5338.16 5385.67 97.93 5287.74 3855.17 65
y transporte 5 tkm camión Fabricación
pesticidas 652.59 658.40 6.09 652.30 471.29 8
de semilla Transportes insumos 621.30 626.83 23.45 603.38 448.69 8
TOTAL 8230.28 8303.53 235 8068.92 5943.83 100Resultados. Balance de energía cultivo de girasol
para biodiesel
Obtención Gasoil: 1413 Grano: MJ/ha
gasoil y MJ/ha 0,8 t/ha Transporte MJ/ha incluída
distribución grano incluída producción
producción de semilla
de gasoil 240 tkm camión de semilla MJ/ha evitados despues de Contribución
300 km
MJ/ha Factor 1,0078 por la paja asignacion MJ/t girasol relativa (%)
Abonos:
Cultivo
Fabricación Labores agrícolas 1401,74 1412,69 1412,69 1765,87 36
y transporte 8/15/15 181,88 kg/ha de Alzar 446,78 450,27
de abonos 54,56 tkm camión girasol Abonado de fondo 279,86 282,05
(Pase de grada) 111,94 112,82
Herbicidas: Pase de cultivador 259,87 261,90
Fabricación Trifluralina 1,5 kg/ha
y transporte Siembra 219,89 221,61
Linurón 2,5 kg/ha
Tratamiento 92,35 93,08
de 0,8 tkm camión
Cosecha 259,87 261,90
herbicidas 4 tkm tren
Fabricación
Producción Semilla: 5 kg/ha fertilizantes 1641,97 1654,80 148,80 1506,00 1882,50 42
y transporte 2.5tkm camión Fabricación pesticidas 659,61 664,76 664,76 830,95 17
de semilla Transportes insumos 183,34 184,77 184,77 230,96 5
TOTAL 3886,66 3917,03 148,80 3768,22 4710,28 100,00Resultados. Balance de energía proceso extracción
del aceite
Semillas Emisiones
2,386 kg RECEPCIÓN Y
PREPARACIÓN Cáscara
DE LA SEMILLA
Girasol Colza
Energía en las materias primas
Gas Natural hexano 0,28 0,25
2,639 MJ Harina
1,284 kg
Energía de proceso
Torta Aceite filtrado Electricidad 0,90 4,69
Agua Gas natural 2,64 2,77
1,5036 kg
Diésel
Residuos
subtotal 3,54 7,46
Electricidad 38,8955 g Total 3,82 7,71
0,1403 kWh
EXTRACCIÓN
Hexano
5,0119 10-3 kg
Aceite crudo
1 kgResultados. Balance de energía proceso
transformación a biodiesel
Balance energético
Energía en las materias primas (MJ/kg
Emisiones biodiésel) Fosil
Aceite Vegetal PRETRATAMIENTO metanol 3,81
1.043 kg
Aceite
Pastas catalizador (CH3ONa) 1,54 10-1
jabonosas
Reactivos refinado antioxidante (vitamina E) 0,93
0.037 anticongelante (etilenglicol) 0,117
Metanol 0.106 kg TRANSESTERIFICACION
Metóxido de Na 0.00485 kg
sosa cáustica 0,02
Äcido fosfórico 0.00292 kg Metil ester Agua Residuos acido clorhídrico 0,10
Sosa Caústica 0.0065 kg bruto glicerinosa 23.857 g sulfato de alúmina 0,00061
Äcido clorhídrico 0.0052 kg
Antioxidante 0.00292 kg nitrato amónico comercial 0,03
LAVADO PURIFICACIÓN Aguas R’s
Anticongelante 0.0025 kg acido fosfórico comercial 0,0007
METILESTER GLICERINA
Acido cítrico 9.39E-04 9.71 g 5,17
Tierras blanqueo 0.0125
Metil ester Glicerina Glicerina industrial Energía de proceso (MJ/kg biodiésel)
Gas 1.8 MJ lavado cruda 0.0045 Electricidad 0,10
Electricidad 0.03 KWh Gas natural kg 1,44
SECADO DESTILACIÓN
Agua 0.703 kg METILESTER GLICERINA 1,54
TOTAL 6,71
Biodiesel Glicerina Glicerina destilada
Biodiesel destilada 0.091 kg Asignación extensión de los limites del sistema
1 kg
Glicerina farmacopea -11,44
Transporte del biodiesel Glicerina industrial -0,42
Límites del sistema
TOTAL después de asignación -5,15
Transporte glicerina
Extensión de los límites del sistemaResultados. Consumo de energía. BIODIESEL
2.0 1,949
1,883 1,862
1,817
1,772
1.5 Distribución mezclas
Transesterificación usados
Transporte aceites reciclados
Reciclado
Recogida aceites usados
1.0
Refino
MJ/kmjknh
0,489 Transporte crudo
Extracción crudo
Transesterificacion
0.5
Refino aceites
Transporte aceites
0,086 Extraccion de aceite
Transporte semilla
0.0 Producción semilla
Diesel BD5A1 BD10A1 BD100A1 BD5A2 BD10A2 BD100A2
-0.5Resultados. Ahorro de energía. BIODIESEL
120%
96%
100%
BD100A1: 1.5 MJ/km (75%)
75%
80% BD10A1:0.13 MJ/km (7%)
% energía fósil jkfdg
BD5A1: 0.06 MJ/km (3%)
60%
BD100A2: 1.90 MJ/km (96%)
40% BD10A2: 0.18 MJ/km (9%)
BD5A2: 0.09 MJ/km (4%)
20%
7% 9%
3% 4%
0%
BD5A1 BD5A2 BD10A1 BD10A2 BD100A1 BD100A2Resultados. Emisiones de gases de efecto
invernadero. BIODIESEL
180.00
163
158 154 156
160.00
149
Uso final
140.00
Transesterificación usados
120.00 Transporte aceites reciclados
Reciclado
100.00 Recogida aceites usados
g CO2 equiv/km
71 Distribución mezclas
80.00 Refino
Transporte crudo
60.00 Extracción crudo
Transesterificacion
40.00 Refino aceites
19 Transporte aceites
20.00
Extraccion de aceite
Transporte semilla
0.00
Producción semilla
Diesel EN- BD5A1 BD10A1 BD100A1 BD5A2 BD10A2 BD100A2
-20.00 590
-40.00Resultados. Ratio de energía.
Energía contenida
Ratio de en el combustible (PCI)
energía fósil =
Energía consumida
para producirlo y distribuirlo
Gasolina 0,848 Diésel En-590 0,968
E5 0,860 BD5A1 1,002
E85 1,262 BD10A1 1,038
BD100A1 3,856Análisis de sensibilidad Bioetanol AS3. Origen del cereal. AS4. Distancia de transporte del grano. AS5. Producción relativa de las plantas de etanol. AS6. Consideración del CO2 producido y vendido en la planta de Ecocarburantes como un co-producto del proceso. AS7. Sustitución de la electricidad de cogeneración AS8. Consumo de combustible de la mezcla E5. AS9. Reglas de asignación entre los distintos co-productos. Biodiesel AS1. Origen de la semilla de colza. AS2. Consumo energético del proceso de extracción de aceite. AS3. Origen de los aceites para producción de biodiesel AS4. Reglas de asignación entre los distintos co-productos. AS5. Saturación del mercado de glicerina.
Análisis de sensibilidad. Consumo energía
Bioetanol
• Método de asignación. Asignación por precio en los procesos
de transformación a etanol y refino. éé
• Consideración del CO2 como subproducto ê
• Sustitución marginal de la electricidad de la planta de
cogeneración por electricidad del mix. é
Biodiesel
• Método de asignación. Asignación por precio. éé
• Saturación del mercado de glicerina. éé
• Porcentaje de aceite de palma en la producción de biodiesel é
• Semilla de colza nacional éÁreas de mejora. Bioetanol y Biodiesel: ØUtilización de biomasa residual como fuente de energía en el proceso de transformación. ØReducción del consumo de fertilizantes y número de labores en la etapa de cultivo. ØNuevos cultivos Biodiesel: ØInstalación de sistemas de cogeneración ØMinimizar el contenido de aceite de palma ØOptimización del sistema de recogida
Conclusiones Bioetanol El balance energético de la producción de las mezclas estudiadas es tanto mejor cuanto mayor es el contenido de etanol en la mezcla. La producción y uso de la mezcla de etanol al 85% (E85) con gasolina permite ahorrar un 36% de energía fósil en comparación con la producción y uso de gasolina La producción y uso de la mezcla de etanol al 5% (E5) con gasolina permite ahorrar un 1,12% de energía fósil en comparación con la producción y uso de gasolina
Conclusiones Biodiesel El balance energético de la producción de las mezclas estudiadas es tanto mejor cuanto mayor es el contenido de biodiesel en la mezcla. Ø La producción y uso de biodiesel de aceites vegetales crudos puro (BD100A1) permite ahorrar un 75 % de energía fósil en comparación con la producción y uso de diesel Ø La producción y uso de la mezcla de este biodiesel al 10 % (BD10A1) con diesel permite ahorrar un 7 % de energía fósil en comparación con la producción y uso de diesel Ø La producción y uso de la mezcla de este biodiesel al 5 % (BD5A1) con diesel permite ahorrar un 3 % de energía fósil en comparación con la producción y uso de diesel
Grupo revisor. BIOETANOL
ØMinisterio de Medio Ambiente. ØFord
Dirección General de Calidad y ØIVECO
Evaluación Ambiental ØUnidad de Biomasa CIEMAT
ØAbengoa Bioenergía ØExpertos de ACV independientes
ØAOP • RANDA GROUP
ØRepsol YPF • Mark Delucchi, Universidad de
ØCEPSA California (Estados Unidos)
ØETSIA • John Sheehan, NREL (Estados
ØANFAC Unidos)
Autores
ØUnidad de Análisis de Sistemas Energéticos CIEMAT.
Y.Lechon, H.Cabal, C. de la Rua, C. Lago, R.Sáez
Ø Ministerio de Medio Ambiente
M. FernándezGrupo revisor. BIODIESEL ØMinisterio de Medio Ambiente. ØAOP Dirección General de Calidad y ØRepsol YPF Evaluación Ambiental ØETSIA ØMoyresa ØANFAC ØEcograss ØFord ØBionor ØUnidad de Biomasa CIEMAT ØAcciona biocombustibles ØBionet Autores ØUnidad de Análisis de Sistemas Energéticos CIEMAT. Y.Lechon, H.Cabal, C. de la Rua, C. Lago, L. Izquierdo, R.Sáez Ø Ministerio de Medio Ambiente M. Fernández
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