Los cultivos energéticos son cultivos de bajo costo y bajo mantenimiento que se cultivan únicamente para la producción de bioenergía renovable (no para alimentos). Los cultivos se transforman en combustibles sólidos , líquidos o gaseosos , como pellets , bioetanol o biogás . Los combustibles se queman para generar energía eléctrica o calor.
Las plantas generalmente se clasifican en leñosas o herbáceas . Las plantas leñosas incluyen el sauce [1] y el álamo , las plantas herbáceas incluyen Miscanthus x giganteus y Pennisetum purpureum (ambas conocidas como pasto elefante ). Los cultivos herbáceos, aunque 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 crear 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, sólo pueden lograrse mediante el uso de cultivos genéticamente modificados .
La biomasa sólida, a menudo peletizada , se utiliza para la combustión en centrales térmicas , ya sea sola o co-quemada con otros combustibles. Alternativamente, se puede utilizar para producción de calor o de producción combinada de calor y energía (CHP).
En la agricultura de monte bajo de rotación corta (SRC), se cultivan y cosechan especies de árboles de rápido crecimiento, como el sauce y el álamo, en ciclos cortos de tres a cinco años. Estos árboles crecen mejor en condiciones de suelo húmedo. No se puede excluir una influencia sobre las condiciones locales del agua. Debe evitarse el establecimiento cerca de humedales vulnerables. [5] [6] [7]
Cultivos enteros como el maíz , la hierba sudanesa , el mijo , el trébol dulce 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. El sector de más rápido crecimiento de la bioagricultura alemana ha sido el de los "cultivos de energía renovable" en casi 500.000 ha (1.200.000 acres) de tierra (2006). [8] También se pueden cultivar cultivos energéticos para aumentar la producción de gas cuando las materias primas tienen un bajo contenido energético, como estiércol y cereales en mal estado. Se estima que el rendimiento energético actual de los cultivos bioenergéticos convertidos a metano mediante ensilaje es de aproximadamente 2 GWh / km 2 (1,8 × 10 10 BTU / milla cuadrada ) al año. Las pequeñas empresas de cultivos mixtos con animales pueden utilizar una parte de su superficie para cultivar y convertir cultivos energéticos y satisfacer las necesidades energéticas de toda la explotación con aproximadamente una quinta parte de la superficie. Sin embargo, en Europa y especialmente en Alemania, este rápido crecimiento se ha producido sólo con un apoyo gubernamental sustancial, como en el sistema alemán de bonificación para las energías renovables . [9] Desarrollos similares de integración de cultivos y producción de bioenergía a través de ensilaje-metano han sido pasados 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 necesaria ]
La producción europea de biodiesel a partir de cultivos energéticos ha crecido de manera constante en la última década, centrándose principalmente en la colza utilizada para petróleo y energía. La producción de aceite/biodiésel procedente de la colza cubre más de 12.000 km 2 sólo en Alemania y se ha duplicado en los últimos 15 años. [10] El rendimiento típico de petróleo como biodiesel puro es de 100.000 L/km 2 (68.000 US gal/sq mi; 57.000 imp gal/sq mi) o más, lo que hace que los cultivos de biodiesel sean económicamente atractivos, siempre que se utilicen rotaciones de cultivos sostenibles que sean nutritivas. equilibrado y previene la propagación de enfermedades como clubroot . La producción de biodiesel de la soja es significativamente menor que la de la colza. [11]
Dos cultivos no alimentarios líderes para la producción de bioetanol celulósico son el pasto varilla y el miscanthus gigante . Ha habido preocupación por el bioetanol celulósico en Estados Unidos, ya que la estructura agrícola que sustenta el biometano está ausente en muchas regiones, sin créditos ni sistemas de bonificación establecidos. [ cita necesaria ] En consecuencia, una gran cantidad de dinero privado y esperanzas de los inversores se están depositando en innovaciones comercializables y patentables en la hidrólisis de enzimas 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 mediante fermentación. Sin embargo, bajo ciertas 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 vinaza de grano (conocida como vinaza de grano de destilería o DGS) en biogás parecen prometedores como medio para mejorar la pobre relación energética de este tipo de proceso de bioetanol.
En Suecia se utilizan a menudo el sauce y el cáñamo .
En Finlandia, el alpiste es un cultivo energético popular. [12]
El pasto varilla ( panicum virgatum ) es otro cultivo energético. [13] Se requieren de 0,97 a 1,34 GJ de energía fósil para producir 1 tonelada de pasto varilla, en comparación con 1,99 a 2,66 GJ para producir 1 tonelada de maíz. [14] Dado que el pasto varilla contiene aproximadamente 18,8 GJ/ODT de biomasa, la relación producción-insumo de energía para el cultivo puede ser de hasta 20:1. [15]
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 utilizado con frecuencia es convertir una planta para que funcione con un combustible diferente (como cultivos energéticos o biomasa). En algunos casos, la torrefacción de biomasa puede beneficiar a la planta de energía si los cultivos energéticos/biomasa son el material que utilizará la planta de energía convertida a combustibles fósiles. [16] Además, cuando se utilizan cultivos energéticos como combustible, y si se implementa la producción de biocarbón , la planta de energía térmica puede incluso volverse carbono negativo en lugar de solo carbono neutral. Mejorar la eficiencia energética de una central eléctrica alimentada por carbón también puede reducir las emisiones.
En los últimos años, los biocombustibles se han vuelto más atractivos para muchos países como posibles sustitutos de los combustibles fósiles . Por lo tanto, comprender la sostenibilidad de este recurso renovable es muy importante. Hay muchos beneficios asociados con el uso de biocombustibles, como la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero , un costo más bajo que los combustibles fósiles, la renovabilidad, etc. [17] Estos cultivos energéticos se pueden utilizar para generar electricidad. Se ha demostrado que la madera, la celulosa y los biocombustibles, junto con la generación estacionaria de electricidad, son muy eficientes. De 2008 a 2013, 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)/Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO)). [18]
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 los ecosistemas (suelo y recursos hídricos) y se suma a la competencia por el espacio de tierra para su uso en cultivos energéticos, alimentarios o forrajeros. Las plantas más adecuadas para futuras materias primas bioenergéticas deberían ser de rápido crecimiento, alto rendimiento y requerir muy pocos aportes de energía para su crecimiento y cosecha, etc. [18] 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 es necesario considerar y mejorar las cuestiones relativas al costo (más caras que otras fuentes de energía renovables), la eficiencia y el espacio necesario para mantener la producción para permitir que el uso de biocombustibles se adopte de manera común. [17]
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Durante el crecimiento de las plantas, las plantas absorben CO 2 . [19] Mientras que los rodales forestales regulares tienen tiempos de rotación del carbono que abarcan muchas décadas, los rodales forestales de rotación corta (SRF) tienen un tiempo de rotación de 8 a 20 años, y los rodales de rebrote de rotación corta (SRC) de 2 a 4 años. [20] Los pastos perennes como el miscanthus o el pasto napier tienen un tiempo de rotación de 4 a 12 meses. Además de absorber CO 2 en su tejido aéreo, los cultivos de biomasa también secuestran carbono bajo tierra, en las raíces y el suelo. Por lo general, los cultivos perennes secuestran más carbono que los cultivos anuales porque se permite que la acumulación de raíces continúe sin perturbaciones durante muchos años. Además, los cultivos perennes evitan los procedimientos de labranza anual (arado, excavación) asociados con el cultivo de cultivos anuales. La labranza ayuda a las poblaciones de microbios del suelo a descomponer el carbono disponible, produciendo CO 2 .
Se ha observado que el carbono orgánico del suelo es mayor debajo de los cultivos de pasto varilla que bajo tierras cultivadas, especialmente a profundidades inferiores a 30 cm (12 pulgadas). [21]
La cantidad de carbono secuestrado y la cantidad de gases de efecto invernadero (GEI) 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 negativo en GEI/carbono es posible si la acumulación total de carbono bajo tierra compensa con creces las emisiones totales de GEI del ciclo de vida sobre el suelo.
Por ejemplo, para Miscanthus × giganteus , la neutralidad de carbono e incluso la negatividad están a su alcance. Esto significa que el rendimiento y el secuestro de carbono relacionado es tan grande que representa más que el total de las emisiones de las operaciones agrícolas, las emisiones de la conversión de combustible y las emisiones del transporte. [22] El éxito del secuestro depende de los sitios de plantación, ya que los mejores suelos para el secuestro son aquellos que actualmente son deficientes en carbono.
En el caso del Reino Unido, se espera un secuestro exitoso de tierras cultivables en la mayor parte de Inglaterra y Gales, y se espera un secuestro fallido en algunas partes de Escocia, debido a los suelos ya ricos en carbono (bosques existentes). Además, en el caso de 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 se ha descubierto que el secuestro de carbono más exitoso en el Reino Unido tiene lugar debajo de los pastizales mejorados. [23]
