En el contexto de la producción de energía, la biomasa es materia de organismos recientemente vivos (pero ahora muertos) que se utiliza para la producción de bioenergía . Los ejemplos incluyen madera, residuos de madera, cultivos energéticos , residuos agrícolas incluyendo paja y desechos orgánicos de la industria y los hogares. [1] La madera y los residuos de madera son la mayor fuente de energía de biomasa en la actualidad. La madera se puede utilizar como combustible directamente o procesarse en combustible de pellets u otras formas de combustibles. Otras plantas también se pueden utilizar como combustible, por ejemplo , maíz , pasto varilla , miscanthus y bambú . [2] Las principales materias primas de desechos son los desechos de madera, los desechos agrícolas , los desechos sólidos urbanos y los desechos de fabricación . La mejora de la biomasa cruda a combustibles de mayor calidad se puede lograr mediante diferentes métodos, ampliamente clasificados como térmicos, químicos o bioquímicos.
El impacto climático de la bioenergía varía considerablemente según el origen de las materias primas de biomasa y el modo en que se cultiven. [3] Por ejemplo, la quema de madera para generar energía libera dióxido de carbono. Esas emisiones se pueden compensar significativamente si los árboles que se talaron se sustituyen por árboles nuevos en un bosque bien gestionado, ya que los nuevos árboles eliminarán el dióxido de carbono del aire a medida que crezcan. [4] Sin embargo, el cultivo de materias primas de biomasa puede reducir la biodiversidad , degradar los suelos y quitar tierras para la producción de alimentos. [5] También puede consumir agua para riego y fertilizantes . [6] [7]
La biomasa (en el contexto de la generación de energía) es materia de organismos que recientemente vivieron (pero ahora están muertos) que se utiliza para la producción de bioenergía . Existen variaciones en la forma en que se define dicha biomasa para energía, por ejemplo, solo de plantas [8] , o de plantas y algas [9] , o de plantas y animales [10] . La gran mayoría de la biomasa utilizada para bioenergía proviene de plantas. La bioenergía es un tipo de energía renovable con potencial para ayudar a mitigar el cambio climático [11] .
Algunas personas utilizan los términos biomasa y biocombustible indistintamente, pero ahora es más común considerar que el biocombustible es un combustible líquido o gaseoso utilizado para el transporte, según lo definen las autoridades gubernamentales de los EE. UU. y la UE. [a] [b] Desde esa perspectiva, el biocombustible es un subconjunto de la biomasa.
El Centro Común de Investigación de la Unión Europea define el biocombustible sólido como materia orgánica cruda o procesada de origen biológico utilizada para generar energía, como leña, astillas de madera y pellets de madera . [12] : 20–21
Se utilizan distintos tipos de biomasa para distintos fines:
La biomasa se clasifica como biomasa cosechada directamente para obtener energía (biomasa primaria) o como residuos y desechos (biomasa secundaria). [13] [14]
Los principales tipos de biomasa que se cosechan directamente para obtener energía son la madera , algunos cultivos alimentarios y todos los cultivos energéticos perennes . Un tercio de la superficie forestal mundial de 4.000 millones de hectáreas se utiliza para la producción de madera u otros fines comerciales, [15] y los bosques proporcionan el 85% de toda la biomasa utilizada para energía a nivel mundial. [16] : 3 En la UE, los bosques proporcionan el 60% de toda la biomasa utilizada para energía, [17] siendo los residuos y desechos de madera la fuente más importante. [18]
La biomasa leñosa utilizada para la energía a menudo consiste en árboles y arbustos cosechados para cocinar y calentar alimentos de manera tradicional , en particular en los países en desarrollo, con 25 EJ por año utilizados globalmente para estos fines. [19] Esta práctica es altamente contaminante. La Organización Mundial de la Salud (OMS) estima que la contaminación relacionada con la cocina causa 3,8 millones de muertes anuales. [20] El Objetivo de Desarrollo Sostenible 7 de las Naciones Unidas tiene como objetivo que el uso tradicional de biomasa para cocinar se elimine gradualmente para 2030. [21] Los sotobosques de rotación corta [c] y los bosques de rotación corta [d] también se cosechan directamente para obtener energía, proporcionando 4 EJ de energía, [19] y se consideran sostenibles. Se estima que el potencial de estos cultivos y los cultivos energéticos perennes proporcionarán al menos 25 EJ anuales para 2050. [19] [e]
Los cultivos alimentarios cosechados para obtener energía incluyen cultivos productores de azúcar (como la caña de azúcar ), cultivos productores de almidón (como el maíz ) y cultivos productores de aceite (como la colza ). [22] La caña de azúcar es un cultivo perenne , mientras que el maíz y la colza son cultivos anuales. Los cultivos productores de azúcar y almidón se utilizan para producir bioetanol , y los cultivos productores de aceite se utilizan para producir biodiésel . Estados Unidos es el mayor productor de bioetanol, mientras que la Unión Europea es el mayor productor de biodiésel. [23] La producción mundial de bioetanol y biodiésel proporciona 2,2 y 1,5 EJ de energía por año, respectivamente. [24] El biocombustible elaborado a partir de cultivos alimentarios cosechados para obtener energía también se conoce como biocombustible de "primera generación" o "tradicional" y tiene un ahorro de emisiones relativamente bajo.
El IPCC estima que entre 0,32 y 1,4 mil millones de hectáreas de tierras marginales son adecuadas para la bioenergía en todo el mundo. [f]
Los residuos y desechos son subproductos de la materia biológica recolectada principalmente con fines no energéticos. Los subproductos más importantes son los residuos de madera, los residuos agrícolas y los desechos municipales e industriales:
Los residuos de madera son subproductos de las operaciones forestales o de la industria de procesamiento de la madera . Si no se hubieran recogido y utilizado para la bioenergía, se habrían desintegrado (y por lo tanto habrían producido emisiones) [g] en el suelo del bosque o en vertederos, o se habrían quemado (y habrían producido emisiones) al costado de la carretera en los bosques o fuera de las instalaciones de procesamiento de la madera. [25]
Los subproductos de las operaciones forestales se denominan residuos de la tala o residuos forestales, y consisten en copas de árboles, ramas, tocones, árboles dañados o moribundos o muertos, secciones de tallos irregulares o doblados, aclareos (árboles pequeños que se talan para ayudar a los árboles más grandes a crecer) y árboles eliminados para reducir el riesgo de incendios forestales. [h] El nivel de extracción de residuos de la tala difiere de una región a otra, [i] [j] pero existe un interés creciente en el uso de esta materia prima, [k] ya que el potencial sostenible es grande (15 EJ anuales). [l] El 68% de la biomasa forestal total en la UE consiste en tallos de madera, y el 32% consiste en tocones, ramas y copas. [26]
Los subproductos de la industria de procesamiento de la madera se denominan residuos de procesamiento de la madera y consisten en recortes, virutas, aserrín, corteza y licor negro. [27] Los residuos de procesamiento de la madera tienen un contenido energético total de 5,5 EJ al año. [28] Los pellets de madera se fabrican principalmente a partir de residuos de procesamiento de la madera, [m] y tienen un contenido energético total de 0,7 EJ. [n] Las astillas de madera se fabrican a partir de una combinación de materias primas, [29] y tienen un contenido energético total de 0,8 EJ. [o]
El contenido energético de los residuos agrícolas utilizados para generar energía es de aproximadamente 2 EJ. [p] Sin embargo, los residuos agrícolas tienen un gran potencial sin explotar. Se ha estimado que el contenido energético de la producción mundial de residuos agrícolas es de 78 EJ anuales, y la mayor parte proviene de la paja (51 EJ). [q] Otros han estimado entre 18 y 82 EJ. [r] Se espera que el uso de residuos y desechos agrícolas que sea sostenible y económicamente viable [13] : 9 aumente a entre 37 y 66 EJ en 2030. [s]
Los residuos municipales produjeron 1,4 EJ y los residuos industriales 1,1 EJ. [30] Los residuos de madera de las ciudades y la industria también produjeron 1,1 EJ. [28] El potencial sostenible de los residuos de madera se ha estimado entre 2 y 10 EJ. [31] La IEA recomienda un aumento drástico en el uso de residuos hasta 45 EJ anuales en 2050. [32]
La biomasa cruda se puede transformar en un combustible mejor y más práctico simplemente compactándola (por ejemplo, pellets de madera) o mediante diferentes conversiones, clasificadas en general como térmicas, químicas y bioquímicas. [33] La conversión de biomasa reduce los costos de transporte, ya que es más barato transportar productos básicos de alta densidad. [13] : 53
La mejora térmica produce combustibles sólidos, líquidos o gaseosos, siendo el calor el principal factor de conversión. Las alternativas básicas son la torrefacción , la pirólisis y la gasificación , que se diferencian principalmente por el grado en que se permite que se produzcan las reacciones químicas implicadas. El avance de las reacciones químicas está controlado principalmente por la cantidad de oxígeno disponible y la temperatura de conversión.
La torrefacción es una forma suave de pirólisis en la que los materiales orgánicos se calientan a 400–600 °F (200–300 °C) en un entorno con poco o ningún oxígeno. [34] [35] El proceso de calentamiento elimina (a través de la gasificación) las partes de la biomasa que tienen el menor contenido energético, mientras que las partes con el mayor contenido energético permanecen. Es decir, aproximadamente el 30% de la biomasa se convierte en gas durante el proceso de torrefacción, mientras que el 70% permanece, generalmente en forma de pellets o briquetas compactadas . Este producto sólido es resistente al agua, fácil de moler, no corrosivo y contiene aproximadamente el 85% de la energía original de la biomasa. [36] Básicamente, la parte de masa se ha reducido más que la parte de energía, y la consecuencia es que el valor calorífico de la biomasa torrefacta aumenta significativamente, hasta el punto de que puede competir con los carbones utilizados para la generación de electricidad (carbones de vapor/térmicos). La densidad energética de los carbones térmicos más comunes en la actualidad es de 22 a 26 GJ/t. [37] Existen otros procesos térmicos menos comunes, más experimentales o patentados que pueden ofrecer beneficios, como la mejora hidrotermal (a veces llamada torrefacción "húmeda"). [t] La vía de mejora hidrotermal se puede utilizar tanto para biomasa con bajo como con alto contenido de humedad, por ejemplo, lodos acuosos. [38]
La pirólisis implica calentar materiales orgánicos a 800–900 °F (400–500 °C) en ausencia casi total de oxígeno. La pirólisis de biomasa produce combustibles como bio-oil, carbón vegetal, metano e hidrógeno. El hidrotratamiento se utiliza para procesar bio-oil (producido por pirólisis rápida) con hidrógeno a temperaturas y presiones elevadas en presencia de un catalizador para producir diésel renovable, gasolina renovable y combustible renovable para aviones. [39]
La gasificación implica calentar materiales orgánicos a 1400–1700 °F (800–900 °C) con inyecciones de cantidades controladas de oxígeno y/o vapor en el recipiente para producir un gas rico en monóxido de carbono e hidrógeno llamado gas de síntesis o syngas. El syngas se puede utilizar como combustible para motores diésel, para calefacción y para generar electricidad en turbinas de gas. También se puede tratar para separar el hidrógeno del gas, y el hidrógeno se puede quemar o utilizar en pilas de combustible. El syngas se puede procesar aún más para producir combustibles líquidos utilizando el proceso de síntesis de Fischer-Tropsch . [33] [40]
Se puede utilizar una variedad de procesos químicos para convertir la biomasa en otras formas, como producir un combustible que sea más práctico para almacenar, transportar y usar, o para explotar alguna propiedad del proceso en sí. Muchos de estos procesos se basan en gran parte en procesos similares basados en carbón, como la síntesis de Fischer-Tropsch. [41] Un proceso de conversión química conocido como transesterificación se utiliza para convertir aceites vegetales , grasas animales y grasas en ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME), que se utilizan para producir biodiésel. [33]
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 realizar la conversión. Los procesos se denominan digestión anaeróbica , fermentación y compostaje . [42]
La fermentación convierte la biomasa en bioetanol, y la digestión anaeróbica convierte la biomasa en gas natural renovable ( biogás ). El bioetanol se utiliza como combustible para vehículos. El gas natural renovable, también llamado biogás o biometano, se produce en digestores anaeróbicos en plantas de tratamiento de aguas residuales y en operaciones lecheras y ganaderas. También se forma en vertederos de residuos sólidos y puede ser capturado en ellos. El gas natural renovable tratado adecuadamente tiene los mismos usos que el gas natural de combustible fósil. [33]
El impacto climático de la bioenergía varía considerablemente dependiendo de dónde provienen las materias primas de biomasa y cómo se cultivan. [43] Por ejemplo, la quema de madera para obtener energía libera dióxido de carbono; esas emisiones se pueden compensar significativamente si los árboles que se talaron se reemplazan por árboles nuevos en un bosque bien gestionado, ya que los nuevos árboles absorberán dióxido de carbono del aire a medida que crezcan. [44] Sin embargo, el establecimiento y cultivo de cultivos bioenergéticos puede desplazar ecosistemas naturales , degradar suelos y consumir recursos hídricos y fertilizantes sintéticos. [6] [7]
Aproximadamente un tercio de toda la madera utilizada para la calefacción y la cocina tradicionales en las zonas tropicales se cosecha de forma no sostenible. [45] Las materias primas para la bioenergía suelen requerir cantidades significativas de energía para su cosecha, secado y transporte; el uso de energía para estos procesos puede emitir gases de efecto invernadero. En algunos casos, los impactos del cambio de uso de la tierra , el cultivo y el procesamiento pueden dar lugar a mayores emisiones generales de carbono para la bioenergía en comparación con el uso de combustibles fósiles. [7] [46]
El uso de tierras agrícolas para el cultivo de biomasa puede resultar en menos tierra disponible para el cultivo de alimentos . En los Estados Unidos, alrededor del 10% de la gasolina de motor ha sido reemplazada por etanol a base de maíz , que requiere una proporción significativa de la cosecha. [47] [48] En Malasia e Indonesia, la tala de bosques para producir aceite de palma para biodiésel ha llevado a graves efectos sociales y ambientales , ya que estos bosques son sumideros de carbono críticos y hábitats para diversas especies. [49] [50] Dado que la fotosíntesis captura solo una pequeña fracción de la energía de la luz solar, producir una cantidad dada de bioenergía requiere una gran cantidad de tierra en comparación con otras fuentes de energía renovable. [51]En relación con la cuestión de las consecuencias climáticas para la bioenergía moderna, el IPCC afirma: "Las emisiones de GEI del ciclo de vida de las alternativas bioenergéticas modernas suelen ser inferiores a las de los combustibles fósiles ". [52] En consecuencia, la mayoría de las vías de mitigación de GEI del IPCC incluyen un despliegue sustancial de tecnologías de bioenergía. [53]
Algunos grupos de investigación afirman que, aunque las reservas de carbono de los bosques europeos y norteamericanos están aumentando, los árboles talados tardan demasiado en volver a crecer. La bioenergía procedente de fuentes con tiempos de recuperación y paridad elevados tarda mucho tiempo en tener un impacto en la mitigación del cambio climático. Por tanto, sugieren que la UE debería ajustar sus criterios de sostenibilidad de modo que solo la energía renovable con tiempos de recuperación de carbono inferiores a 10 años se defina como sostenible, [u] por ejemplo, la eólica, la solar, la biomasa procedente de residuos de madera y aclareos de árboles que, de otro modo, se quemarían o se descompondrían con relativa rapidez, y la biomasa procedente de la tala de árboles de rotación corta (SRC). [54]
El IPCC afirma: "Si bien las masas individuales de un bosque pueden ser fuentes o sumideros, el balance de carbono forestal está determinado por la suma del balance neto de todas las masas". [55] El IPCC también afirma que el único enfoque universalmente aplicable para la contabilidad del carbono es el que tiene en cuenta tanto las emisiones de carbono como las eliminaciones de carbono (absorción) de las tierras gestionadas (por ejemplo, los paisajes forestales). [56] : 2.67 Cuando se calcula el total, se restan las perturbaciones naturales como los incendios y las infestaciones de insectos, y lo que queda es la influencia humana. [v]
La AIE Bioenergía afirma que un enfoque exclusivo en el corto plazo hace más difícil lograr una mitigación eficiente del carbono en el largo plazo, y compara las inversiones en nuevas tecnologías de bioenergía con las inversiones en otras tecnologías de energía renovable que solo proporcionan reducciones de emisiones después de 2030, por ejemplo, la ampliación de la fabricación de baterías o el desarrollo de infraestructura ferroviaria. [w] Las estrategias de evitación de emisiones de carbono forestal brindan un beneficio de mitigación a corto plazo, pero los beneficios a largo plazo de las actividades forestales sostenibles proporcionan productos forestales y recursos energéticos continuos. [55]
La mayoría de las vías de mitigación de GEI del IPCC incluyen un despliegue sustancial de tecnologías de bioenergía. [53] La falta o la limitación de vías de bioenergía conduce a un mayor cambio climático o al desplazamiento de la carga de mitigación de la bioenergía a otros sectores. [x] Además, aumentan los costos de mitigación. [y]
Es probable que los escenarios de carbono positivo sean emisores netos de CO2 , los proyectos de carbono negativo sean absorbentes netos de CO2 , mientras que los proyectos de carbono neutral equilibran las emisiones y la absorción de manera equitativa. [57]
Es común incluir escenarios alternativos (también llamados "escenarios de referencia" o "contrafácticos") para comparación. [12] : 83 Los escenarios alternativos varían desde escenarios con solo cambios modestos en comparación con el proyecto existente, hasta escenarios radicalmente diferentes (es decir, protección forestal o contrafácticos "sin bioenergía"). Generalmente, la diferencia entre escenarios se considera como el potencial real de mitigación de carbono de los escenarios. [12] : 100
Además de la elección del escenario alternativo, también hay que tomar otras decisiones. Los llamados "límites del sistema" determinan qué emisiones/absorciones de carbono se incluirán en el cálculo real y cuáles se excluirán. Los límites del sistema incluyen límites temporales, espaciales, relacionados con la eficiencia y económicos. [27]
Por ejemplo, la intensidad real de carbono de la bioenergía varía según las técnicas de producción de biomasa y las distancias de transporte.
Los límites temporales definen cuándo se debe comenzar y finalizar el recuento de carbono. A veces, se incluyen en el cálculo eventos "tempranos", por ejemplo, la absorción de carbono que se produce en el bosque antes de la cosecha inicial. A veces, también se incluyen eventos "tardíos", por ejemplo, las emisiones causadas por las actividades que se realizan al final de la vida útil de la infraestructura en cuestión, por ejemplo, la demolición de fábricas. Dado que la emisión y la absorción de carbono relacionadas con un proyecto o escenario cambian con el tiempo, la emisión neta de carbono puede presentarse como dependiente del tiempo (por ejemplo, una curva que se mueve a lo largo de un eje de tiempo) o como un valor estático ; esto muestra las emisiones promedio calculadas durante un período de tiempo definido.
La curva de emisiones netas dependiente del tiempo generalmente mostrará emisiones altas al principio (si el conteo comienza cuando se cosecha la biomasa). Alternativamente, el punto de partida puede retroceder al evento de plantación; en este caso, la curva puede potencialmente moverse por debajo de cero (a territorio carbono negativo) si no hay deuda de carbono por el cambio de uso de la tierra que pagar y, además, los árboles plantados absorben cada vez más carbono. La curva de emisiones luego se dispara hacia arriba en la cosecha. El carbono cosechado se distribuye entonces en otros depósitos de carbono, y la curva se mueve en tándem con la cantidad de carbono que se mueve a estos nuevos depósitos (eje Y) y el tiempo que tarda el carbono en salir de los depósitos y regresar al bosque a través de la atmósfera (eje X). Como se describió anteriormente, el tiempo de recuperación del carbono es el tiempo que tarda el carbono cosechado en regresar al bosque, y el tiempo de paridad de carbono es el tiempo que tarda el carbono almacenado en dos escenarios en competencia en alcanzar el mismo nivel. [z]
El valor estático de las emisiones de carbono se produce calculando la emisión neta anual promedio para un período de tiempo específico. El período de tiempo específico puede ser la vida útil esperada de la infraestructura involucrada (típico para las evaluaciones del ciclo de vida; LCA), horizontes temporales relevantes para las políticas inspirados en el acuerdo de París (por ejemplo, el tiempo restante hasta 2030, 2050 o 2100), [58] períodos de tiempo basados en diferentes potenciales de calentamiento global (GWP; típicamente 20 o 100 años), [aa] u otros períodos de tiempo. En la UE, se utiliza un período de tiempo de 20 años para cuantificar los efectos netos del carbono de un cambio de uso de la tierra. [ab] Generalmente, en la legislación, el enfoque del número estático se prefiere al enfoque de la curva dinámica dependiente del tiempo. El número se expresa como un llamado "factor de emisión" (emisión neta por unidad de energía producida, por ejemplo kg CO 2 e por GJ), o incluso más simple como un porcentaje promedio de ahorro de gases de efecto invernadero para vías de bioenergía específicas. [ac] Los porcentajes de ahorro de gases de efecto invernadero publicados por la UE para vías de bioenergía específicas utilizadas en la Directiva de Energías Renovables (RED) y otros documentos legales se basan en evaluaciones del ciclo de vida (ACV). [ad] [ae]
Los límites espaciales definen las fronteras "geográficas" para los cálculos de emisión/absorción de carbono. Los dos límites espaciales más comunes para la absorción y emisión de CO2 en los bosques son 1.) a lo largo de los bordes de una masa forestal en particular y 2.) a lo largo de los bordes de un paisaje forestal completo, que incluye muchas masas forestales de edad creciente (las masas forestales se talan y replantan, una tras otra, a lo largo de tantos años como masas haya). Una tercera opción es el llamado método de contabilidad del carbono a nivel de masa creciente. El investigador tiene que decidir si se centra en la masa individual, en un número creciente de masas o en todo el paisaje forestal. El IPCC recomienda la contabilidad del carbono a nivel de paisaje.
Además, el investigador debe decidir si las emisiones derivadas del cambio directo o indirecto del uso de la tierra deben incluirse en el cálculo. La mayoría de los investigadores incluyen las emisiones derivadas del cambio directo del uso de la tierra, por ejemplo, las emisiones causadas por la tala de un bosque para iniciar allí algún proyecto agrícola. La inclusión de los efectos indirectos del cambio del uso de la tierra es más controvertida, ya que son difíciles de cuantificar con precisión. [af] [ag] Otras opciones implican definir los límites espaciales probables de los bosques en el futuro.
Los límites relacionados con la eficiencia definen un rango de eficiencias de sustitución de combustible para diferentes vías de combustión de biomasa. Diferentes cadenas de suministro emiten diferentes cantidades de carbono por unidad de energía suministrada, y diferentes instalaciones de combustión convierten la energía química almacenada en diferentes combustibles en calor o energía eléctrica con diferentes eficiencias. El investigador tiene que conocer esto y elegir un rango de eficiencia realista para las diferentes vías de combustión de biomasa en consideración. Las eficiencias elegidas se utilizan para calcular los llamados "factores de desplazamiento", números únicos que muestran con qué eficiencia se sustituye el carbono fósil por carbono biogénico. [59] [27] Si, por ejemplo, se queman 10 toneladas de carbono con una eficiencia de la mitad de la de una planta de carbón moderna, solo 5 toneladas de carbón se contabilizarían realmente como desplazadas (factor de desplazamiento 0,5).
En general, al combustible quemado en instalaciones de combustión ineficientes (antiguas o pequeñas) se le asignan factores de desplazamiento más bajos que al combustible quemado en instalaciones eficientes (nuevas o grandes), ya que se debe quemar más combustible (y, por lo tanto, liberar más CO2 ) para producir la misma cantidad de energía. [27]
El factor de desplazamiento varía con la intensidad de carbono tanto del combustible de biomasa como del combustible fósil desplazado. Si o cuando la bioenergía puede lograr emisiones negativas (por ejemplo, a partir de la forestación, plantaciones de pastos energéticos y/o bioenergía con captura y almacenamiento de carbono ( BECCS ), [32] o si las fuentes de energía de combustibles fósiles con mayores emisiones en la cadena de suministro comienzan a entrar en funcionamiento (por ejemplo, debido al fracking o al mayor uso de gas de esquisto), el factor de desplazamiento comenzará a aumentar. Por otro lado, si o cuando nuevas fuentes de energía de carga base con menores emisiones que los combustibles fósiles comienzan a entrar en funcionamiento, el factor de desplazamiento comenzará a caer. Si un cambio del factor de desplazamiento se incluye o no en el cálculo, depende de si se espera o no que tenga lugar dentro del período de tiempo cubierto por los límites del sistema temporal del escenario relevante. [ah]
Los límites económicos definen qué efectos de mercado se deben incluir en el cálculo, si es que hay alguno. Las condiciones cambiantes del mercado pueden generar cambios pequeños o grandes en las emisiones y absorciones de carbono de las cadenas de suministro y los bosques [27], por ejemplo, cambios en la superficie forestal como respuesta a los cambios en la demanda. Los eventos macroeconómicos y los cambios en las políticas pueden tener impactos en las reservas de carbono forestal [ai] . Al igual que con los cambios indirectos en el uso de la tierra, los cambios económicos pueden ser difíciles de cuantificar, por lo que algunos investigadores prefieren dejarlos fuera del cálculo [aj] .
Los límites del sistema elegidos son muy importantes para los resultados calculados. [27] Se calculan tiempos de recuperación/paridad más cortos cuando la intensidad de carbono fósil, la tasa de crecimiento forestal y la eficiencia de conversión de biomasa aumentan , o cuando el stock de carbono forestal inicial y/o el nivel de cosecha disminuyen . [60] También se calculan tiempos de recuperación/paridad más cortos cuando el investigador elige la contabilidad de carbono a nivel de paisaje sobre el nivel de rodal (si la contabilidad de carbono comienza en la cosecha en lugar de en el evento de plantación). Por el contrario, se calculan tiempos de recuperación/paridad más largos cuando la intensidad de carbono, la tasa de crecimiento y la eficiencia de conversión disminuyen , o cuando el stock de carbono inicial y/o el nivel de cosecha aumentan , o el investigador elige la contabilidad de carbono a nivel de rodal sobre el nivel de paisaje. [ak]
Los críticos sostienen que se toman decisiones poco realistas sobre los límites del sistema, [al] o que los límites estrechos del sistema llevan a conclusiones engañosas. [27] Otros sostienen que la amplia gama de resultados muestra que hay demasiado margen de maniobra disponible y que, por lo tanto, los cálculos son inútiles para el desarrollo de políticas. [am] El Centro de Investigación Unificada de la UE está de acuerdo en que diferentes metodologías producen resultados diferentes, [an] pero también sostiene que esto es de esperar, ya que diferentes investigadores eligen consciente o inconscientemente diferentes escenarios/metodologías alternativas como resultado de sus ideales éticos con respecto a la relación óptima del hombre con la naturaleza. Los investigadores deberían hacer explícito el núcleo ético del debate sobre la sostenibilidad, en lugar de ocultarlo. [ao]
Las emisiones de GEI por unidad de energía producida en el punto de combustión dependen del contenido de humedad del combustible, de las diferencias químicas entre los combustibles y de la eficiencia de conversión. Por ejemplo, la biomasa cruda puede tener un mayor contenido de humedad en comparación con algunos tipos comunes de carbón. Cuando este es el caso, una mayor parte de la energía inherente de la madera debe gastarse únicamente en evaporar la humedad, en comparación con el carbón más seco, lo que significa que la cantidad de CO2 emitida por unidad de calor producido será mayor. [61]
Muchas instalaciones de combustión que utilizan únicamente biomasa son relativamente pequeñas e ineficientes, en comparación con las plantas de carbón, que suelen ser mucho más grandes. Además, la biomasa cruda (por ejemplo, las astillas de madera) puede tener un mayor contenido de humedad que el carbón (especialmente si el carbón se ha secado). Cuando este es el caso, una mayor parte de la energía inherente de la madera debe gastarse únicamente en evaporar la humedad, en comparación con el carbón más seco, lo que significa que la cantidad de CO2 emitida por unidad de calor producida será mayor. Este problema de humedad se puede mitigar con instalaciones de combustión modernas. [ap]
La biomasa forestal produce en promedio entre un 10 y un 16 % más de CO2 que el carbón. [62] : 3 Sin embargo, centrarse en las emisiones brutas no tiene en cuenta el punto central, lo que cuenta es el efecto climático neto de las emisiones y la absorción, tomadas en conjunto. [63] : 386 [62] : 3–4 La IEA Bioenergy concluye que el CO2 adicional de la biomasa "[...] es irrelevante si la biomasa se deriva de bosques gestionados de forma sostenible". [62] : 3
El uso de madera de troncos boreales cosechada exclusivamente para bioenergía tiene un impacto climático positivo sólo en el largo plazo, mientras que el uso de residuos de madera tiene un impacto climático positivo también en el corto y mediano plazo. [aq]
Los tiempos de recuperación/paridad de carbono cortos se producen cuando el escenario sin bioenergía más realista es un escenario forestal tradicional donde se cosechan troncos de madera "buenos" para la producción de madera y los residuos se queman o se dejan en el bosque o en vertederos. La recolección de dichos residuos proporciona material que "[...] habría liberado su carbono (a través de la descomposición o la quema) de nuevo a la atmósfera de todos modos (en lapsos de tiempo definidos por la tasa de descomposición del bioma) [...]". [64] En otras palabras, los tiempos de recuperación y paridad dependen de la velocidad de descomposición. La velocidad de descomposición depende de a.) la ubicación (porque la velocidad de descomposición es "[...] aproximadamente proporcional a la temperatura y la lluvia [...]" [65] ), y b.) el espesor de los residuos. [ar] Los residuos se descomponen más rápido en áreas cálidas y húmedas, y los residuos delgados se descomponen más rápido que los residuos gruesos. Los residuos delgados en los bosques templados cálidos y húmedos tienen, por lo tanto, la descomposición más rápida, mientras que los residuos gruesos en los bosques boreales fríos y secos tienen la descomposición más lenta. Si, en cambio, los residuos se queman en el escenario sin bioenergía, por ejemplo, fuera de las fábricas o en los bosques al borde de las carreteras, las emisiones son instantáneas. En este caso, los tiempos de paridad se aproximan a cero .
Al igual que otros científicos, el personal del JRC observa la alta variabilidad en los resultados de la contabilidad del carbono y la atribuye a diferentes metodologías. [at] En los estudios examinados, el JRC encontró tiempos de paridad de carbono de 0 a 400 años para la madera de tallo cosechada exclusivamente para bioenergía, dependiendo de diferentes características y supuestos tanto para el sistema forestal/bioenergético como para el sistema fósil alternativo, con la intensidad de emisión de los combustibles fósiles desplazados considerada como el factor más importante, seguido de la eficiencia de conversión y la tasa de crecimiento de la biomasa/tiempo de rotación. Otros factores relevantes para el tiempo de paridad de carbono son el stock de carbono inicial y el nivel de cosecha existente; tanto un stock de carbono inicial más alto como un nivel de cosecha más alto significan tiempos de paridad más largos. [66] Los biocombustibles líquidos tienen tiempos de paridad altos porque aproximadamente la mitad del contenido energético de la biomasa se pierde en el procesamiento. [au]
El Centro Común de Investigación de la UE ha examinado una serie de estimaciones de emisiones de bioenergía encontradas en la literatura y ha calculado porcentajes de ahorro de gases de efecto invernadero para las vías de bioenergía en la producción de calor, la producción de combustible para el transporte y la producción de electricidad, basándose en esos estudios. Los cálculos se basan en el principio de contabilidad de ACV atributivo. Incluye todas las emisiones de la cadena de suministro, desde la extracción de materias primas, pasando por la producción y fabricación de energía y materiales, hasta el tratamiento al final de la vida útil y la eliminación final. También incluye las emisiones relacionadas con la producción de los combustibles fósiles utilizados en la cadena de suministro. Excluye los efectos de emisión/absorción que tienen lugar fuera de los límites de su sistema, por ejemplo, los relacionados con el mercado, los biogeofísicos (por ejemplo, el albedo) y los dependientes del tiempo. Los autores concluyen que "la mayoría de los productos básicos de origen biológico liberan menos GEI que los productos fósiles a lo largo de su cadena de suministro; pero la magnitud de las emisiones de GEI varía en gran medida con la logística, el tipo de materias primas, la gestión de la tierra y los ecosistemas, la eficiencia de los recursos y la tecnología". [68]
Debido al variado potencial de mitigación del cambio climático para las distintas vías de biocombustibles, los gobiernos y las organizaciones establecen diferentes esquemas de certificación para garantizar que el uso de la biomasa sea sostenible, por ejemplo, la Directiva sobre Energías Renovables (RED) en la UE y la norma ISO 13065 de la Organización Internacional de Normalización. [69] En los EE. UU., la Norma sobre Combustibles Renovables (RFS) limita el uso de biocombustibles tradicionales y define las emisiones mínimas de GEI durante el ciclo de vida que son aceptables. Los biocombustibles se consideran tradicionales si logran una reducción de emisiones de GEI de hasta el 20 % en comparación con el equivalente petroquímico, avanzados si ahorran al menos el 50 % y celulósicos si ahorran más del 60 %. [av]
La Directiva de Energías Renovables (RED) de la UE establece que el ahorro típico de emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar combustibles fósiles por pellets de madera de residuos forestales para la producción de calor varía entre el 69% y el 77%, dependiendo de la distancia de transporte: cuando la distancia está entre 0 y 2500 km, el ahorro de emisiones es del 77%. El ahorro de emisiones cae al 75% cuando la distancia está entre 2500 y 10 000 km, y al 69% cuando la distancia es superior a 10 000 km. Cuando se utiliza madera de tronco, el ahorro de emisiones varía entre el 70% y el 77%, dependiendo de la distancia de transporte. Cuando se utilizan residuos de la industria maderera, el ahorro varía entre el 79% y el 87%. [aw]
Dado que los largos tiempos de recuperación y paridad calculados para algunos proyectos forestales no se consideran un problema para los cultivos energéticos (excepto en los casos mencionados anteriormente), los investigadores calculan en cambio potenciales estáticos de mitigación climática para estos cultivos, utilizando métodos de contabilidad de carbono basados en el ACV. Un proyecto de bioenergía basado en cultivos energéticos en particular se considera carbono positivo, carbono neutral o carbono negativo en función de la cantidad total de emisiones y absorciones de CO2 equivalente acumuladas a lo largo de toda su vida útil: si las emisiones durante la agricultura, el procesamiento, el transporte y la combustión son superiores a lo que absorben (y almacenan) las plantas, tanto por encima como por debajo del suelo, durante la vida útil del proyecto, el proyecto es carbono positivo. Del mismo modo, si la absorción total es superior a las emisiones totales, el proyecto es carbono negativo. En otras palabras, la negatividad del carbono es posible cuando la acumulación neta de carbono compensa con creces las emisiones netas de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida.
Por lo general, los cultivos perennes secuestran más carbono que los cultivos anuales porque se permite que el crecimiento de las 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 . [ax] [63] : 393
Actualmente (2018) existe consenso en la comunidad científica de que "[...] el balance de GEI [gases de efecto invernadero] del cultivo de bioenergía perenne será a menudo favorable [...]", también cuando se consideran los cambios directos e indirectos implícitos en el uso de la tierra. [70] : 150
Es necesario tener en cuenta los impactos ambientales de la producción de biomasa. Por ejemplo, en 2022, la AIE afirmó que “la bioenergía es un pilar importante de la descarbonización en la transición energética como combustible de emisiones casi nulas” y que “se necesitan más esfuerzos para acelerar la implementación de la bioenergía moderna para encaminarse hacia el Escenario Net Zero [....] al mismo tiempo que se garantiza que la producción de bioenergía no genere consecuencias sociales y ambientales negativas”. [72]
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El IPCC afirma que hay desacuerdo sobre si el bosque mundial se está reduciendo o no, y cita investigaciones que indican que la cubierta arbórea ha aumentado un 7,1% entre 1982 y 2016. [63] : 367 El IPCC escribe: "Si bien se estima que las reservas de carbono de la biomasa sobre el suelo están disminuyendo en los trópicos, están aumentando a nivel mundial debido al aumento de las reservas en los bosques templados y boreales [...]". [63] : 385
Los árboles viejos tienen una tasa de absorción de carbono muy alta, y la tala de árboles viejos significa que se pierde este gran potencial de absorción futura de carbono. [61] : 3 También hay una pérdida de carbono del suelo debido a las operaciones de cosecha. [61] : 3
Los árboles viejos absorben más CO2 que los árboles jóvenes debido a la mayor superficie foliar de los árboles adultos. [74] Sin embargo, el bosque viejo (en su conjunto) acabará dejando de absorber CO2 porque las emisiones de CO2 de los árboles muertos anulan la absorción de CO2 de los árboles vivos restantes . [ ay] El bosque viejo (o las masas forestales) también son vulnerables a las perturbaciones naturales que producen CO2 . El IPCC ha descubierto que "[...] los paisajes con bosques más viejos han acumulado más carbono, pero su capacidad de absorción está disminuyendo, mientras que los paisajes con bosques más jóvenes contienen menos carbono, pero están eliminando CO2 de la atmósfera a un ritmo mucho mayor [...]". [63] : 386
El IPCC afirma que el efecto climático neto de la conversión de bosques no gestionados a bosques gestionados puede ser positivo o negativo, según las circunstancias. El stock de carbono se reduce , pero como los bosques gestionados crecen más rápido que los bosques no gestionados, se absorbe más carbono . Se producen efectos climáticos positivos si la biomasa cosechada se utiliza de forma eficiente. [63] : 351 Existe una disyuntiva entre los beneficios de tener un stock de carbono forestal maximizado, no absorber más carbono, y los beneficios de tener una parte de ese stock de carbono "desbloqueado", y en su lugar funcionar como una herramienta de sustitución de combustibles fósiles renovables, por ejemplo en sectores que son difíciles o costosos de descarbonizar. [32] [az]
La "competencia" entre el carbono forestal bloqueado y el carbono desbloqueado podría ser ganada por el carbono desbloqueado: "A largo plazo, el uso de biomasa forestal producida de manera sostenible como sustituto de productos intensivos en carbono y combustibles fósiles proporciona mayores reducciones permanentes del CO2 atmosférico que la preservación". [75] : 39
La AIE Bioenergía escribe: "los bosques gestionados para producir madera aserrada, bioenergía y otros productos de madera pueden hacer una mayor contribución a la mitigación del cambio climático que los bosques gestionados únicamente para la conservación". Se dan tres razones: [76]
Los datos de la FAO muestran que la mayoría de los pellets de madera se producen en regiones donde predominan los bosques gestionados de forma sostenible, como Europa y América del Norte. Europa (incluida Rusia) produjo el 54% de los pellets de madera del mundo en 2019, y las reservas de carbono forestal en esta zona aumentaron de 158,7 a 172,4 Gt entre 1990 y 2020. En la UE, la biomasa forestal sobre el suelo aumenta un 1,3% anual de media, aunque el aumento se está ralentizando porque los bosques están madurando. [77]
El sistema de comercio de emisiones del Reino Unido permite a los operadores de instalaciones generadoras de CO2 aplicar un factor de emisiones cero para la fracción utilizada para fines no energéticos, mientras que los fines energéticos (generación de electricidad, calefacción) requieren una certificación de sostenibilidad adicional sobre la biomasa utilizada. [78]
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La producción de biomasa para bioenergía puede tener efectos negativos sobre la biodiversidad. [5] La palma aceitera y la caña de azúcar son ejemplos de cultivos que se han relacionado con una reducción de la biodiversidad . [80] Además, los cambios en la biodiversidad también afectan la producción primaria , lo que naturalmente afecta la descomposición y los organismos heterotróficos del suelo. [81]
Los escenarios en los que todos ganan (buenos para el clima, buenos para la biodiversidad) incluyen: [12] : 8–149
Los escenarios de ganar-perder (buenos para el clima, malos para la biodiversidad) incluyen la forestación en antiguos ecosistemas de pastizales ricos en biodiversidad que nunca fueron bosques, y la forestación de antiguas tierras agrícolas con plantaciones de monocultivos. [12] : 125–147
Los escenarios de ganar-perder (malos para el clima, buenos para la biodiversidad) incluyen la expansión de los bosques naturales en antiguas tierras agrícolas. [12] : 125–147
Los escenarios de pérdida-pérdida incluyen un mayor uso de residuos forestales espesos como tocones de algunos bosques boreales con tasas de descomposición lentas y la conversión de bosques naturales en plantaciones forestales. [12] : 8–147
Otros problemas son la contaminación del suelo y del agua por el uso de fertilizantes y pesticidas [83] y la emisión de contaminantes del aire ambiente, principalmente por la quema de residuos en campos abiertos. [84]
El uso tradicional de la madera en cocinas y fogatas produce contaminantes que pueden tener graves consecuencias para la salud y el medio ambiente. Sin embargo, un cambio hacia la bioenergía moderna contribuye a mejorar los medios de vida y puede reducir la degradación de la tierra y los impactos en los servicios ecosistémicos . [63] : 375 Según el IPCC, hay pruebas sólidas de que la bioenergía moderna tiene "grandes impactos positivos" en la calidad del aire. [85] La bioenergía tradicional es ineficiente y la eliminación gradual de esta fuente de energía tiene grandes beneficios tanto para la salud como para la economía. [32] Cuando se quema en instalaciones industriales, la mayoría de los contaminantes originados por la biomasa leñosa se reducen en un 97-99%, en comparación con la quema al aire libre. [86] La combustión de biomasa leñosa produce menores cantidades de material particulado que el carbón para la misma cantidad de electricidad generada. [87]
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