Cultivo energético


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Un plan de plantación de cultivos energéticos del Departamento de Medio Ambiente, Alimentación y Asuntos Rurales en el Reino Unido. Los cultivos energéticos de este tipo se pueden utilizar en centrales eléctricas convencionales o unidades especializadas de generación de electricidad, lo que reduce la cantidad de emisiones de dióxido de carbono derivadas de combustibles fósiles .

Los cultivos energéticos son cultivos de bajo costo y bajo mantenimiento que se cultivan únicamente para la producción de energía por combustión (no para alimentos). Los cultivos se procesan en sólidos, líquidos o gaseosos combustibles , tales como pellets, bioetanol o biogás. Los combustibles se queman para generar energía eléctrica o calor.

Las plantas se clasifican generalmente como leñosas o herbáceas . Las plantas leñosas incluyen el sauce [1] y el álamo , las plantas herbáceas incluyen Miscanthus x giganteus y Pennisetum purpureum (ambos conocidos como pasto elefante ). Los cultivos herbáceos, aunque son físicamente más pequeños que los árboles, almacenan aproximadamente el doble de CO 2 (en forma de carbono) bajo tierra, en comparación con los cultivos leñosos. [2]

Mediante procedimientos biotecnológicos , como la modificación genética, las plantas pueden manipularse para generar mayores rendimientos. También se pueden obtener rendimientos relativamente altos con los cultivares existentes . [3] : 250 Sin embargo, algunas ventajas adicionales, como la reducción de los costos asociados (es decir, los costos durante el proceso de fabricación [4] ) y el menor uso de agua, solo se pueden lograr mediante el uso de cultivos modificados genéticamente .

Neutralidad de CO 2

Negatividad de GEI / CO 2 / carbono para las vías de producción de Miscanthus x giganteus .
Relación entre el rendimiento sobre el suelo (líneas diagonales), el carbono orgánico del suelo (eje X) y el potencial del suelo para el secuestro de carbono exitoso / no exitoso (eje Y). Básicamente, cuanto mayor sea el rendimiento, más tierra se podrá utilizar como herramienta de mitigación de GEI (incluida la tierra relativamente rica en carbono).

La cantidad de carbono secuestrado y la cantidad de GEI (gases de efecto invernadero) emitidos determinarán si el costo total del ciclo de vida de los GEI de un proyecto de bioenergía es positivo, neutral o negativo. Específicamente, un ciclo de vida de GEI / carbono negativo es posible si la acumulación total de carbono subterráneo compensa con creces las emisiones de GEI totales del ciclo de vida en la superficie. Whitaker y col. estiman que para Miscanthus × giganteus , la neutralidad de carbono e incluso la negatividad está al alcance. Básicamente, el rendimiento y el secuestro de carbono relacionado es tan alto que compensa con creces las emisiones de las operaciones agrícolas, las emisiones de conversión de combustible y las emisiones del transporte. El gráfico muestra dos Miscanthus x giganteus CO 2 negativosvías de producción, representadas en gramos de CO 2 equivalentes por megajulio. Los diamantes amarillos representan valores medios. [5]

Cabe señalar que el secuestro exitoso depende de los sitios de plantación, ya que los mejores suelos para el secuestro son aquellos que actualmente tienen un bajo contenido de carbono. Los variados resultados que se muestran en el gráfico resaltan este hecho. [5]

Milner y col. argumentan que para el Reino Unido, se espera un secuestro exitoso de tierras cultivables en la mayor parte de Inglaterra y Gales, y que se espera un secuestro fallido en partes de Escocia, debido a suelos ya ricos en carbono (bosques existentes). Además, para Escocia, los rendimientos relativamente más bajos en este clima más frío hacen que la negatividad del CO 2 sea más difícil de lograr. Los suelos que ya son ricos en carbono incluyen turberas y bosques maduros. Los pastizales también pueden ser ricos en carbono y Milner et al. Además, argumentan que el secuestro de carbono más exitoso en el Reino Unido tiene lugar debajo de los pastizales mejorados. [6]

El gráfico inferior muestra el rendimiento estimado necesario para lograr la negatividad de CO 2 para diferentes niveles de saturación de carbono del suelo existente.

La naturaleza perenne en lugar de anual de los cultivos de Miscanthus implica que se permite que la importante acumulación de carbono subterráneo cada año continúe sin perturbaciones. La ausencia de arado o excavación anual significa que no hay un aumento de la oxidación del carbono ni estimulación de las poblaciones de microbios en el suelo y, por lo tanto, no hay conversión acelerada de C orgánico en CO 2 en el suelo cada primavera.

Tipos

Biomasa sólida

El pasto elefante ( Miscanthus giganteus ) es un cultivo energético experimental

La biomasa sólida, a menudo peletizada , se utiliza para la combustión en centrales térmicas , ya sea sola o cocida con otros combustibles. Alternativamente, se puede utilizar para la producción de calor o calor y energía combinados (CHP).

En la agricultura de monte bajo de rotación corta (SRC), las especies de árboles de crecimiento rápido como el sauce y el álamo se cultivan y cosechan en ciclos cortos de tres a cinco años. Estos árboles crecen mejor en suelos húmedos. No se puede excluir una influencia sobre las condiciones locales del agua. Debe evitarse el establecimiento cerca de humedales vulnerables . [7] [8] [9]

Biomasa de gas (metano)

Cultivos enteros como maíz , pasto de Sudán , mijo , trébol blanco y muchos otros pueden convertirse en ensilaje y luego convertirse en biogás . [3] Los digestores anaeróbicos o las plantas de biogás se pueden complementar directamente con cultivos energéticos una vez que se han ensilado en ensilaje. El sector de la agricultura biológica de más rápido crecimiento ha estado en el área de "Cultivos de energía renovable" en casi 500.000 ha (1.200.000 acres) de tierra (2006). [10]Los cultivos energéticos también se pueden cultivar para aumentar la producción de gas cuando las materias primas tienen un bajo contenido de energía, como abonos y granos en mal estado. Se estima que el rendimiento energético actual de los cultivos bioenergéticos convertidos a través del ensilaje en metano es de aproximadamente 2  GWh / km 2 (1.8 × 10 10  BTU / sq mi ) al año. Las pequeñas empresas de cultivos mixtos con animales pueden usar una parte de su superficie para cultivar y convertir cultivos energéticos y mantener las necesidades energéticas de toda la finca con aproximadamente una quinta parte de la superficie. En Europa y especialmente en Alemania, sin embargo, este rápido crecimiento se ha producido solo con un apoyo gubernamental sustancial, como en el sistema de bonificación alemán para las energías renovables . [11]Desarrollos similares de integración de cultivos agrícolas y producción de bioenergía a través del ensilado-metano se han pasado por alto casi por completo en América del Norte, donde los problemas políticos y estructurales y un enorme impulso continuo para centralizar la producción de energía han eclipsado los desarrollos positivos. [ cita requerida ]

Biomasa liquida

Biodiesel

Cocos secados al sol en Kozhikode , Kerala para hacer copra, la carne seca o el núcleo del coco . El aceite de coco extraído de ella ha hecho de la copra un importante producto agrícola para muchos países productores de coco. También produce torta de coco que se utiliza principalmente como alimento para el ganado.
Biodiésel puro (B-100), elaborado a partir de semillas de soja

La producción europea de biodiésel a partir de cultivos energéticos ha crecido de manera constante en la última década, principalmente centrada en la colza utilizada para la producción de aceite y energía. La producción de aceite / biodiésel de colza cubre más de 12.000 km² solo en Alemania y se ha duplicado en los últimos 15 años. [12] El rendimiento típico de aceite como biodiésel puro es de 100.000 L / km 2 (68.000 gal / sq mi; 57.000 imp gal / sq mi) o más, lo que hace que los cultivos de biodiésel sean económicamente atractivos, siempre que se utilicen rotaciones sostenibles de cultivos que sean equilibrado y prevenir la propagación de enfermedades como la raíz del club . El rendimiento de biodiesel de la soja es significativamente menor que el de la colza. [13]

Bioetanol

Dos de los principales cultivos no alimentarios para la producción de bioetanol celulósico son el pasto varilla y el miscanto gigante . Ha habido una preocupación por el bioetanol celulósico en Estados Unidos, ya que la estructura agrícola que sustenta al biometano está ausente en muchas regiones, sin créditos ni sistema de bonificación. [ cita requerida ] En consecuencia, una gran cantidad de dinero privado y las esperanzas de los inversores se están depositando en innovaciones comercializables y patentables en la hidrólisis enzimática y procesos similares. Los pastos también son cultivos energéticos para el biobutanol .

El bioetanol también se refiere a la tecnología que utiliza principalmente maíz (semilla de maíz) para producir etanol directamente a través de la fermentación. Sin embargo, en determinadas condiciones de campo y proceso, este proceso puede consumir tanta energía como el valor energético del etanol que produce, por lo que no es sostenible. Los nuevos avances en la conversión de la vinaza de grano (denominada vinaza de grano de destilería o DGS) en biogás parecen prometedores como un medio para mejorar la escasa proporción energética de este tipo de proceso de bioetanol.

Uso de cultivos energéticos en varios países

En Suecia, se utilizan a menudo sauce y cáñamo .

En Finlandia, Reed Canary Grass es un cultivo energético popular. [14]

Uso de cultivos energéticos en centrales térmicas

Existen varios métodos para reducir la contaminación y reducir o eliminar las emisiones de carbono de las centrales eléctricas de combustibles fósiles . Un método rentable y de uso frecuente es convertir una planta para que funcione con un combustible diferente (como cultivos energéticos / biomasa). En algunos casos, la torrefacción de biomasa puede beneficiar a la planta de energía si los cultivos energéticos / biomasa es el material que utilizará la planta de energía de combustible fósil convertida. [15] Además, cuando se utilizan cultivos energéticos como combustible, y si se implementa la producción de biocarbón , la planta de energía térmica puede incluso convertirse en carbono negativo en lugar de simplemente carbono neutral. Mejorar la eficiencia energética de una central eléctrica de carbón también puede reducir las emisiones.

Biocombustibles y sostenibilidad

En los últimos años, los biocombustibles se han vuelto más atractivos para muchos países como posibles reemplazos de los combustibles fósiles. Por lo tanto, comprender la sostenibilidad de este recurso renovable es muy importante. Existen muchos beneficios asociados con el uso de biocombustibles, como la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero , el menor costo que los combustibles fósiles, la renovabilidad, etc. [16]Estos cultivos energéticos se pueden utilizar para generar electricidad. Se ha demostrado que la celulosa de madera y el biocombustible junto con la generación de electricidad estacionaria son muy eficientes. En los últimos 5 años, ha habido un aumento del 109% en la producción mundial de biocombustibles y se espera que aumente un 60% adicional para satisfacer nuestras demandas (según la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) / Alimentación y Agricultura Organización (FAO)). [17]

El aumento proyectado en el uso / necesidad de cultivos energéticos plantea la pregunta de si este recurso es sostenible. El aumento de la producción de biocombustibles se basa en cuestiones relacionadas con los cambios en el uso de la tierra, los impactos en el ecosistema (suelo y recursos hídricos) y se suma a la competencia del espacio de tierra para su uso para cultivar cultivos energéticos, alimentos o forrajes. Las plantas más adecuadas para futuras materias primas bioenergéticas deberían ser de crecimiento rápido, alto rendimiento y requerir muy pocos insumos de energía para el crecimiento y la cosecha, etc. [17]El uso de cultivos energéticos para la producción de energía puede ser beneficioso debido a su neutralidad de carbono. Representa una alternativa más barata a los combustibles fósiles y, al mismo tiempo, es extremadamente diversa en las especies de plantas que pueden utilizarse para la producción de energía. Pero las cuestiones relativas al costo (más caras que otras fuentes de energía renovable), la eficiencia y el espacio requerido para mantener la producción deben considerarse y mejorarse para permitir la adopción común del uso de biocombustibles. [dieciséis]

Ver también

  • Combustible de algas
  • Digestión anaeróbica
  • Etanol celulósico
  • Mitigación de la contaminación por carbón
  • Eichhornia crassipes # Bioenergía
  • Asociación Europea de Biomasa
  • Myriophyllum
  • Sotobosque de rotación corta
  • Silvicultura de rotación corta
  • Tabla de rendimientos de cultivos de biocombustibles
  • Vegoil

Referencias

  1. ^ Mola-Yudego, Blas; Aronsson, Pär (septiembre de 2008). "Modelos de rendimiento para plantaciones comerciales de biomasa de sauce en Suecia". Biomasa y Bioenergía . 32 (9): 829–837. doi : 10.1016 / j.biombioe.2008.01.002 .
  2. ^ Agostini, Francesco; Gregory, Andrew S .; Richter, Goetz M. (15 de enero de 2015). "Secuestro de carbono por cultivos energéticos perennes: ¿Aún está deliberando el jurado?" . Investigación en bioenergía . 8 (3): 1057–1080. doi : 10.1007 / s12155-014-9571-0 . PMC 4732603 . PMID 26855689 .  
  3. ^ a b Ara Kirakosyan; Peter B. Kaufman (15 de agosto de 2009). Avances recientes en biotecnología vegetal . pag. 169. ISBN 9781441901934. Consultado el 14 de febrero de 2013 .
  4. ^ Smith, Rebecca A .; Cass, Cynthia L .; Mazaheri, Mona; Sekhon, Rajandeep S .; Heckwolf, Marlies; Kaeppler, Heidi; de León, Natalia; Mansfield, Shawn D .; Kaeppler, Shawn M .; Sedbrook, John C .; Karlen, Steven D .; Ralph, John (2 de mayo de 2017). "La supresión de CINNAMOYL-CoA REDUCTASE aumenta el nivel de ferulados de monolignol incorporados a las ligninas del maíz" . Biotecnología para biocombustibles . 10 (1): 109. doi : 10.1186 / s13068-017-0793-1 . PMC 5414125 . PMID 28469705 .  
  5. ^ a b Whitaker, Jeanette; Field, John L .; Bernacchi, Carl J .; Cerri, Carlos EP; Ceulemans, Reinhart; Davies, Christian A .; DeLucia, Evan H .; Donnison, Iain S .; McCalmont, Jon P .; Paustian, Keith; Rowe, Rebecca L .; Smith, Pete; Thornley, Patricia; McNamara, Niall P. (marzo de 2018). "Consensos, incertidumbres y desafíos para los cultivos bioenergéticos perennes y el uso de la tierra" . GCB Bioenergía . 10 (3): 150-164. doi : 10.1111 / gcbb.12488 . PMC 5815384 . PMID 29497458 .  
  6. ^ Milner, Suzanne; Holanda, Robert A .; Lovett, Andrew; Sunnenberg, Gilla; Hastings, Astley; Smith, Pete; Wang, Shifeng; Taylor, Gail (marzo de 2016). "Impactos potenciales en los servicios ecosistémicos de las transiciones del uso de la tierra a cultivos bioenergéticos de segunda generación en GB" . GCB Bioenergía . 8 (2): 317–333. doi : 10.1111 / gcbb.12263 . PMC 4974899 . PMID 27547244 .  
  7. ^ Hartwich, Jens (2017). Evaluación de la idoneidad regional del monte bajo de rotación corta en Alemania (Tesis). doi : 10.17169 / refubium-9817 .
  8. ^ Hartwich, Jens; Bölscher, Jens; Schulte, Achim (24 de septiembre de 2014). "Impacto del monte bajo de rotación corta sobre los recursos hídricos y terrestres". Water International . 39 (6): 813–825. doi : 10.1080 / 02508060.2014.959870 . S2CID 154461322 . 
  9. ^ Hartwich, Jens; Schmidt, Markus; Bölscher, Jens; Reinhardt-Imjela, Christian; Murach, Dieter; Schulte, Achim (11 de julio de 2016). "Modelización hidrológica de cambios en el balance hídrico debido al impacto de la producción de biomasa leñosa en la llanura del norte de Alemania". Ciencias ambientales de la tierra . 75 (14). doi : 10.1007 / s12665-016-5870-4 . S2CID 132087972 . 
  10. ^ "Uso ambiental de BioMass" .
  11. ^ Bauböck, Roland; Karpenstein-Machan, Marianne; Kappas, Martin (10 de agosto de 2014). “Cálculo de los potenciales de biomasa de maíz y dos cultivos de energía alternativa, triticale y planta copa (Silphium perfoliatum L.), con el modelo de cultivo BioSTAR en la región de Hannover (Alemania)” . Environmental Sciences Europe . 26 (1): 19. doi : 10.1186 / s12302-014-0019-0 . ISSN 2190-4715 . PMC 5044939 . PMID 27752417 .   
  12. ^ Umer. "Bio Mass Energy" .
  13. ^ Kirakosyan, Ara; Kaufman, Peter B. (2009). Avances recientes en biotecnología vegetal | SpringerLink (PDF) . doi : 10.1007 / 978-1-4419-0194-1 . ISBN  978-1-4419-0193-4.
  14. ^ Manual para productores de energía
  15. ^ Torrefacción de biomasa a veces necesaria cuando se usa biomasa en FFPS convertido
  16. ^ a b Renewable Resources Co. "Las ventajas y desventajas de la energía de biomasa" . Coalición de Recursos Renovables . RenewableResourcesCoalition.org.
  17. ↑ a b de Siqueira Ferreira, Savio; Nishiyama, Milton; Paterson, Andrew; Souza, Glaucia (27 de junio de 2013). "Cultivos de biocombustibles y energía: las Saccharinae de alto rendimiento ocupan un lugar central en la era post-genómica" . Biología del genoma . 14 (6): 210. doi : 10.1186 / gb-2013-14-6-210 . PMC 3707038 . PMID 23805917 . S2CID 17208119 .   

enlaces externos

  • GA Mansoori, N Enayati, LB Agyarko (2016), Energía: fuentes, utilización, legislación, sostenibilidad, Illinois como estado modelo , World Sci. Pub. Co., ISBN 978-981-4704-00-7 
  • Cultivos energéticos para combustible
  • Cultivos energéticos en Biomass Energy Center
  • Centro para la agricultura energética sostenible
  • Revisión de la evidencia científica sobre los impactos ecológicos de las energías renovables
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