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Bioenergía

Una central de cogeneración que utiliza madera para suministrar bioenergía a 30.000 hogares en Francia como fuente de energía renovable. Plantación de caña de azúcar para produc...

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Una central de cogeneración que utiliza madera para suministrar bioenergía a 30.000 hogares en Francia como fuente de energía renovable.
Plantación de caña de azúcar para producir etanol para la producción de bioenergía en Brasil

La bioenergía es un tipo de energía renovable que se deriva de plantas y animales. [ 1 ] La biomasa que se utiliza como materia prima consiste en organismos que vivieron recientemente (pero que ahora están muertos), principalmente plantas. [ 2 ] Por lo tanto, los combustibles fósiles no se consideran biomasa según esta definición. Los tipos de biomasa que se utilizan comúnmente para la bioenergía incluyen madera, cultivos alimentarios como el maíz, cultivos energéticos y residuos de bosques, patios o granjas. [ 3 ] La bioenergía también puede referirse a la electricidad generada a partir de la fotosíntesis de organismos vivos, generalmente utilizando celdas de combustible microbianas y energía fotovoltaica biológica .

La bioenergía puede contribuir a la mitigación del cambio climático , pero en algunos casos la producción de biomasa necesaria puede aumentar las emisiones de gases de efecto invernadero o provocar la pérdida de biodiversidad local . Los impactos ambientales de la producción de biomasa pueden ser problemáticos, dependiendo de cómo se produzca y coseche. Sin embargo, sigue produciendo CO₂ siempre que la energía se derive de la ruptura de enlaces químicos. [ 4 ]

El escenario de cero emisiones netas para 2050 de la AIE prevé la eliminación gradual de la bioenergía tradicional para 2030, con un aumento de la participación de la bioenergía moderna del 6,6 % en 2020 al 13,1 % en 2030 y al 18,7 % en 2050. [ 5 ] La bioenergía tiene un potencial significativo de mitigación del cambio climático si se implementa correctamente. [ 6 ] : 637 La mayoría de las vías recomendadas para limitar el calentamiento global incluyen contribuciones sustanciales de la bioenergía en 2050 (promedio de 200 EJ). [ 7 ] : B 7.4

Definición y terminología

El Sexto Informe de Evaluación del IPCC define la bioenergía como "energía derivada de cualquier forma de biomasa o sus subproductos metabólicos". [ 8 ] : 1795 Continúa definiendo la biomasa en este contexto como "material orgánico excluyendo el material fosilizado o incrustado en formaciones geológicas". [ 8 ] : 1795 Esto significa que el carbón u otros combustibles fósiles no son una forma de biomasa en este contexto.

El término biomasa tradicional para bioenergía significa "la combustión de madera, carbón vegetal, residuos agrícolas y/o estiércol animal para cocinar o calentar en fuegos abiertos o en estufas ineficientes, como es común en los países de bajos ingresos ". [ 8 ] : 1796

Dado que la biomasa también puede utilizarse directamente como combustible (por ejemplo, leña), los términos biomasa y biocombustible se han usado a veces indistintamente. Sin embargo, el término biomasa suele referirse a la materia prima biológica de la que se compone el combustible. Los términos biocombustible o biogás se reservan generalmente para combustibles líquidos o gaseosos, respectivamente. [ 9 ]

Materiales de entrada

Planta de biomasa en Escocia.
Cambios en el consumo de bioenergía por tipo, 2010-2023.

La madera y sus residuos constituyen la principal fuente de energía de biomasa en la actualidad. La madera puede utilizarse como combustible directamente o procesarse para obtener pellets u otros tipos de combustible. Otras plantas también pueden utilizarse como combustible, como el maíz , el pasto varilla , el miscanthus y el bambú . [ 10 ] Las principales materias primas de desecho son los residuos de madera, los residuos agrícolas , los residuos sólidos urbanos y los residuos de fabricación . La mejora de la biomasa cruda para obtener combustibles de mayor calidad puede lograrse mediante diferentes métodos, clasificados generalmente como térmicos, químicos o bioquímicos:

Los procesos de conversión térmica utilizan el calor como mecanismo dominante para transformar la biomasa en un combustible mejor y más práctico. Las alternativas básicas son la torrefacción , la pirólisis y la gasificación , que se diferencian principalmente por el grado de desarrollo de las reacciones químicas involucradas (controlado principalmente por la disponibilidad de oxígeno y la temperatura de conversión). [ 11 ]

Muchas conversiones químicas se basan en procesos establecidos a base de carbón, como la síntesis de Fischer-Tropsch . [ 12 ] Al igual que el carbón, la biomasa se puede convertir en múltiples productos químicos básicos. [ 13 ]

En la naturaleza se han desarrollado procesos bioquímicos para descomponer las moléculas que componen la biomasa, y muchos de ellos pueden aprovecharse. En la mayoría de los casos, se utilizan microorganismos para llevar a cabo la conversión. Estos procesos se denominan digestión anaeróbica , fermentación y compostaje . [ 14 ]

Aplicaciones

Biomasa para calefacción

Virutas de madera en una tolva de almacenamiento, en el medio un agitador para transportar el material con un transportador de tornillo a la caldera.

Los sistemas de calefacción de biomasa generan calor a partir de biomasa . Estos sistemas pueden utilizar combustión directa , gasificación , cogeneración (CHP), digestión anaeróbica o digestión aeróbica para producir calor. La calefacción de biomasa puede ser totalmente automatizada o semiautomatizada, funcionar con pellets o ser un sistema de cogeneración.

[ 15 ]

Biocombustible para el transporte

Según la fuente de biomasa, los biocombustibles se clasifican en dos categorías principales, dependiendo de si se utilizan o no cultivos alimentarios: [ 16 ]

Los biocombustibles de primera generación (o "convencionales") se elaboran a partir de fuentes alimentarias cultivadas en tierras agrícolas, como la caña de azúcar y el maíz . Los azúcares presentes en esta biomasa se fermentan para producir bioetanol , un combustible alcohólico que sirve como aditivo para la gasolina o en una pila de combustible para generar electricidad. El bioetanol se produce por fermentación , principalmente a partir de carbohidratos producidos en cultivos azucareros o ricos en almidón , como el maíz , la caña de azúcar o el sorgo dulce . El bioetanol se utiliza ampliamente en Estados Unidos y Brasil . El biodiésel se produce a partir de los aceites de, por ejemplo, la colza o la remolacha azucarera, y es el biocombustible más común en Europa.

Los biocombustibles de segunda generación (también llamados "biocombustibles avanzados") utilizan fuentes de biomasa no alimentarias, como cultivos energéticos perennes y residuos agrícolas. La materia prima utilizada para producir estos combustibles proviene de tierras cultivables , pero son subproductos del cultivo principal, o bien de tierras marginales. Los residuos industriales, agrícolas, forestales y domésticos también pueden utilizarse para la producción de biocombustibles de segunda generación, por ejemplo, mediante digestión anaeróbica para producir biogás , gasificación para producir gas de síntesis o combustión directa. La biomasa celulósica , derivada de fuentes no alimentarias como árboles y pastos, se está desarrollando como materia prima para la producción de etanol, y el biodiésel puede producirse a partir de residuos alimentarios como aceites vegetales y grasas animales.

Producción de combustibles líquidos

Comparación con otros tipos de energías renovables

Plantación de eucalipto en la India.

Requisitos de terreno

Las densidades de producción de energía superficial de un cultivo determinarán la cantidad de tierra necesaria para su producción. Las densidades de energía superficial promedio del ciclo de vida para la producción de energía de biomasa, eólica, hidroeléctrica y solar son 0,30 W/m² , 1 W/m² , 3 W/m² y 5 W/m² , respectivamente (energía en forma de calor para la biomasa y electricidad para la energía eólica, hidroeléctrica y solar). [ 17 ] La densidad de energía superficial del ciclo de vida incluye la tierra utilizada por toda la infraestructura de apoyo, la fabricación, la minería/cosecha y el desmantelamiento.

Otra estimación sitúa los valores en 0,08 W/m² para la biomasa, 0,14 W/m² para la energía hidroeléctrica, 1,84 W/m² para la energía eólica y 6,63 W/m² para la energía solar ( valores medianos , sin que ninguna de las fuentes renovables supere los 10 W/m² ) . [ 18 ]

Bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS)

La tecnología de captura y almacenamiento de carbono puede utilizarse para capturar las emisiones de las centrales eléctricas de bioenergía. Este proceso se conoce como bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS) y puede resultar en la eliminación neta de dióxido de carbono de la atmósfera. Sin embargo, la BECCS también puede generar emisiones netas positivas, dependiendo de cómo se cultive, coseche y transporte la biomasa. La implementación de la BECCS a las escalas descritas en algunas vías de mitigación del cambio climático requeriría la conversión de grandes extensiones de tierras de cultivo. [ 19 ]

Ejemplo de BECCS: Diagrama de una central eléctrica de bioenergía con captura y almacenamiento de carbono . [ 20 ]

La bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS, por sus siglas en inglés) es el proceso de extraer bioenergía de la biomasa y capturar y almacenar el dióxido de carbono (CO₂ ) que se produce.

Las emisiones de gases de efecto invernadero de la bioenergía pueden ser bajas porque cuando se cosecha la vegetación para obtener bioenergía, crece nueva vegetación que absorbe CO₂ del aire mediante la fotosíntesis . [ 21 ] Después de cosechar la biomasa, se extrae energía ("bioenergía") en formas útiles (electricidad, calor, biocombustibles , etc.) a medida que la biomasa se utiliza mediante combustión, fermentación, pirólisis u otros métodos de conversión. [ 22 ] El uso de bioenergía libera CO₂ . En BECCS, parte del CO₂ se captura antes de que entre en la atmósfera y se almacena bajo tierra utilizando tecnología de captura y almacenamiento de carbono . [ 23 ] En ciertas condiciones, BECCS puede eliminar dióxido de carbono de la atmósfera. [ 23 ]

Se estimó que el rango potencial de emisiones negativas de BECCS era de cero a 22 gigatoneladas por año. [ 24 ] A partir de 2024, hay 3 proyectos BECCS a gran escala en funcionamiento en el mundo. [ 25 ] El despliegue generalizado de BECCS está limitado por el costo y la disponibilidad de biomasa. [ 26 ] [ 27 ] Dado que la producción de biomasa requiere mucha tierra, el despliegue de BECCS puede plantear riesgos importantes para la producción de alimentos, los derechos humanos y la biodiversidad. [ 28 ]

Aspectos climáticos y de sostenibilidad

Límites alternativos del sistema para evaluar los efectos climáticos de la bioenergía forestal. La opción 1 (negra) considera solo las emisiones de la chimenea; la opción 2 (verde) considera solo el stock de carbono forestal; la opción 3 (azul) considera la cadena de suministro de bioenergía; la opción 4 (roja) abarca toda la bioeconomía, incluidos los productos de madera además de la biomasa. [ 29 ]

El impacto climático de la bioenergía varía considerablemente según la procedencia de las materias primas de biomasa y su método de cultivo. [ 30 ] Por ejemplo, la quema de madera para obtener energía libera dióxido de carbono; estas emisiones pueden compensarse significativamente si los árboles talados se reemplazan por árboles nuevos en un bosque bien gestionado, ya que los nuevos árboles absorberán dióxido de carbono del aire durante su crecimiento. [ 31 ] Sin embargo, el establecimiento y cultivo de cultivos bioenergéticos puede desplazar ecosistemas naturales , degradar suelos y consumir recursos hídricos y fertilizantes sintéticos. [ 32 ] [ 33 ]

Aproximadamente un tercio de toda la madera utilizada para calefacción y cocina tradicionales en zonas tropicales se cosecha de forma insostenible. [ 34 ] Las materias primas para bioenergía suelen requerir cantidades significativas de energía para su cosecha, secado y transporte; el consumo energético de estos procesos puede generar emisiones de gases de efecto invernadero. En algunos casos, los impactos del cambio de uso del suelo , el cultivo y el procesamiento pueden resultar en mayores emisiones totales de carbono para la bioenergía en comparación con el uso de combustibles fósiles. [ 33 ] [ 35 ]

El uso de tierras agrícolas para el cultivo de biomasa puede resultar en una menor disponibilidad de tierra para el cultivo de alimentos . En Estados Unidos, alrededor del 10% de la gasolina para motores ha sido reemplazada por etanol a base de maíz , lo que requiere una proporción significativa de la cosecha. [ 36 ] [ 37 ] En Malasia e Indonesia, la tala de bosques para producir aceite de palma para biodiésel ha provocado graves efectos sociales y ambientales , ya que estos bosques son sumideros de carbono críticos y hábitats para diversas especies. [ 38 ] [ 39 ] Dado que la fotosíntesis captura solo una pequeña fracción de la energía de la luz solar, producir una cantidad determinada de bioenergía requiere una gran cantidad de tierra en comparación con otras fuentes de energía renovables. [ 40 ]

Impactos ambientales

La bioenergía puede mitigar (es decir, reducir) o aumentar las emisiones de gases de efecto invernadero . Los impactos ambientales locales pueden ser problemáticos. Por ejemplo, a veces se talan bosques para la producción de bioetanol derivado de la caña de azúcar , como en el caso de un proyecto a gran escala en Indonesia en 2025. [ 41 ]

La producción de biomasa puede generar una presión social y ambiental significativa en las zonas donde se produce. [ 42 ] El impacto se relaciona principalmente con la baja densidad de potencia superficial de la biomasa. Esta baja densidad de potencia superficial implica que se necesitan áreas de tierra mucho mayores para producir la misma cantidad de energía, en comparación con, por ejemplo, los combustibles fósiles . [ 43 ]

El transporte de biomasa a larga distancia ha sido criticado por ser derrochador e insostenible, [ 44 ] y ha habido protestas contra la exportación de biomasa forestal en Suecia [ 45 ] y Canadá. [ 46 ]

En 2020, la bioenergía produjo 58 EJ ( exajulios ) de energía, en comparación con 172 EJ del petróleo crudo , 157 EJ del carbón, 138 EJ del gas natural , 29 EJ de la energía nuclear, 16 EJ de la energía hidroeléctrica y 15 EJ de la energía eólica , solar y geotérmica combinadas. [ 47 ] La mayor parte de la bioenergía mundial se produce a partir de recursos forestales. [ 48 ] : 3 [ 49 ] : 1

En general, la expansión de la bioenergía se redujo en un 50 % en 2020. China y Europa son las únicas dos regiones que registraron una expansión significativa en 2020, añadiendo 2 GW y 1,2 GW de capacidad de bioenergía, respectivamente. [ 50 ]

Casi todos los residuos de aserradero disponibles ya se utilizan para la producción de pellets, por lo que no hay margen para la expansión. Para que el sector de la bioenergía se expanda significativamente en el futuro, una mayor cantidad de la madera para pulpa cosechada debe destinarse a las fábricas de pellets. Sin embargo, la cosecha de madera para pulpa (raleo de árboles) elimina la posibilidad de que estos árboles envejezcan y, por lo tanto, maximicen su capacidad de almacenamiento de carbono. [ 51 ] : 19 En comparación con la madera para pulpa, los residuos de aserradero tienen menores emisiones netas: "Algunos tipos de materia prima de biomasa pueden ser neutros en carbono, al menos durante un período de algunos años, incluidos en particular los residuos de aserradero. Estos son desechos de otras operaciones forestales que no implican cosecha adicional, y si de otro modo se quemaran como desechos o se dejaran pudrir, liberarían carbono a la atmósfera en cualquier caso." [ 51 ] : 68

Por país

Véase también

Referencias

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