Los cultivos energéticos son cultivos de bajo costo y bajo mantenimiento que se cultivan exclusivamente para la producción de bioenergía renovable (no para alimentos). Los cultivos se procesan para obtener combustibles sólidos , líquidos o gaseosos , 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 (ambas conocidas como hierba elefante ). Los cultivos herbáceos, aunque físicamente son más pequeños que los árboles, almacenan aproximadamente el doble de la cantidad de CO2 ( 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 lograr rendimientos relativamente altos con cultivares existentes . [3] : 250 Sin embargo, algunas ventajas adicionales como costos asociados reducidos (es decir, costos durante el proceso de fabricación [4] ) y menor uso de agua solo se pueden lograr mediante el uso de cultivos modificados genéticamente .
La biomasa sólida, a menudo en forma de pellets , se utiliza para la combustión en centrales térmicas , ya sea sola o combinada con otros combustibles. También puede utilizarse para producir calor o para la producción combinada de calor y electricidad (CHP).
En la agricultura de sotobosque de rotación corta (SRC), se cultivan especies de árboles de crecimiento rápido, como el sauce y el álamo, y se cosechan en ciclos cortos de tres a cinco años. Estos árboles crecen mejor en condiciones de suelo húmedo. No se puede descartar una influencia en las condiciones hídricas locales. Se debe evitar el establecimiento cerca de humedales vulnerables. [5] [6] [7]
Cultivos enteros como maíz , pasto sudanés , mijo , meliloto blanco y muchos otros pueden ensilarse y luego convertirse en biogás . [3] Los digestores anaeróbicos o las plantas de biogás pueden complementarse directamente con cultivos energéticos una vez que se han ensilado. El sector de la bioagricultura alemana de más rápido crecimiento ha sido el de los "cultivos de energía renovable" en casi 500.000 ha (1.200.000 acres) de tierra (2006). [8] Los cultivos energéticos también pueden cultivarse para aumentar los rendimientos de gas donde las materias primas tienen un bajo contenido energético, como el estiércol y el grano 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 / km2 (1,8 × 10 10 BTU / mi2 ) al año. Las pequeñas empresas de cultivo mixto con animales pueden utilizar una parte de su superficie para cultivar y transformar cultivos energéticos y satisfacer las necesidades energéticas de toda la explotación con aproximadamente una quinta parte de la superficie cultivada. Sin embargo, en Europa y especialmente en Alemania, este rápido crecimiento se ha producido sólo con un apoyo gubernamental sustancial, como en el caso del sistema alemán de bonificación para la energía renovable . [9] En América del Norte, los avances similares en la integración de la agricultura y la producción de bioenergía mediante ensilaje con metano han sido casi totalmente ignorados, donde las cuestiones políticas y estructurales y un enorme y continuo impulso para centralizar la producción de energía han eclipsado los avances positivos. [ cita requerida ]
La producción europea de biodiésel a partir de cultivos energéticos ha crecido de forma sostenida en la última década, centrándose principalmente en la colza utilizada para la producción de aceite y energía. La producción de aceite/biodiésel a partir de colza cubre más de 12.000 km2 solo en Alemania, y se ha duplicado en los últimos 15 años. [10] El rendimiento típico de aceite como biodiésel puro es de 100.000 L/km2 ( 68.000 galones estadounidenses/mi2; 57.000 galones imperiales/mi2) o superior, lo que hace que los cultivos de biodiésel sean económicamente atractivos, siempre que se utilicen rotaciones de cultivos sostenibles que estén equilibradas en cuanto a nutrientes y eviten la propagación de enfermedades como la hernia de la col . El rendimiento de biodiésel de la soja es significativamente inferior al de la col. [11]
Dos de los principales cultivos no alimentarios para la producción de bioetanol celulósico son el pasto varilla y el miscanthus gigante . En Estados Unidos ha habido una preocupación por el bioetanol celulósico, ya que en muchas regiones no existe una estructura agrícola que respalde el biometano, y no existe ningún sistema de créditos o bonificaciones. [ cita requerida ] En consecuencia, se depositan muchas esperanzas de inversores y dinero privado en innovaciones comercializables y patentables en la hidrólisis enzimática y procesos similares. Las gramíneas también son cultivos energéticos para el biobutanol .
El término bioetanol también hace referencia 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 de 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 residuos de cereales (denominados residuos de cereales de destilería o DGS) en biogás parecen prometedores como medio para mejorar la deficiente relación energética de este tipo de proceso de bioetanol.
En Suecia se utilizan a menudo el sauce y el cáñamo .
En Finlandia, el pasto canario 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 entre la producción y la entrada de energía del 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 que utilizan combustibles fósiles . Un método que se utiliza con frecuencia y que resulta rentable es convertir una planta para que funcione con un combustible diferente (como cultivos energéticos o biomasa). En algunos casos, la torrefacción de la biomasa puede beneficiar a la planta eléctrica si los cultivos energéticos o la biomasa son el material que utilizará la planta eléctrica que utiliza combustibles fósiles. [16] Además, cuando se utilizan cultivos energéticos como combustible y se implementa la producción de biocarbón , la planta de energía térmica puede incluso llegar a ser carbono-negativa en lugar de solo carbono-neutral. Mejorar la eficiencia energética de una planta eléctrica a 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, es muy importante comprender la sostenibilidad de este recurso renovable. Hay muchos beneficios asociados con el uso de biocombustibles, como la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero , un menor costo que los combustibles fósiles, la renovabilidad, etc. [17] Estos cultivos energéticos se pueden utilizar para generar electricidad. Se ha demostrado que la celulosa de madera y los biocombustibles en combinación con la generación de electricidad estacionaria 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 Alimentación y la Agricultura (FAO)). [18]
El aumento previsto del uso y la necesidad de cultivos energéticos plantea la cuestión 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 (recursos de suelo y agua) y aumenta la competencia por el espacio de tierra para su uso en cultivos energéticos, alimentos o piensos. Las plantas más adecuadas para futuras materias primas bioenergéticas deberían crecer rápidamente, ser de alto rendimiento y requerir muy pocos insumos energéticos 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 diverso en cuanto a las especies de plantas que se pueden utilizar para la producción de energía. Pero es necesario considerar y mejorar las cuestiones relacionadas con el costo (más caro que otras fuentes de energía renovable), la eficiencia y el espacio necesario para mantener la producción a fin de permitir que el uso de biocombustibles se adopte de forma generalizada. [17]
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Durante el crecimiento de las plantas, el CO2 es absorbido por ellas. [19] Mientras que las masas forestales regulares tienen tiempos de rotación de carbono que abarcan muchas décadas, las masas forestales de rotación corta (SRF) tienen un tiempo de rotación de 8 a 20 años, y las masas de corta de rotación corta (SRC) de 2 a 4 años. [20] Las gramíneas perennes como el miscanthus o el pasto napier tienen un tiempo de rotación de 4 a 12 meses. Además de absorber CO2 en su tejido sobre el suelo, 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 (arar, cavar) asociados con el cultivo de cultivos anuales. La labranza ayuda a las poblaciones de microbios del suelo a descomponer el carbono disponible, produciendo CO2 .
Se ha observado que el carbono orgánico del suelo es mayor debajo de los cultivos de pasto varilla que debajo de las tierras de cultivo, 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 GEI de un proyecto de bioenergía es positivo, neutro o negativo. En concreto, es posible un ciclo de vida negativo en GEI/carbono si la acumulación total de carbono bajo tierra compensa con creces las emisiones totales de GEI del ciclo de vida sobre la superficie.
Por ejemplo, en el caso del Miscanthus × giganteus , la neutralidad de carbono e incluso la negatividad están a nuestro alcance. Esto significa que el rendimiento y el secuestro de carbono relacionado son tan grandes que representan más que el total de 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 que la captura de carbono se produzca con éxito en las tierras cultivables de la mayor parte de Inglaterra y Gales, mientras que en algunas partes de Escocia no se producirá con éxito, debido a que los suelos ya son ricos en carbono (los bosques existentes). Además, en el caso de Escocia, los rendimientos relativamente más bajos en este clima más frío hacen que sea más difícil lograr la negatividad del CO2. Los suelos ya ricos en carbono incluyen las turberas y los bosques maduros. Los pastizales también pueden ser ricos en carbono, y se ha descubierto que la captura de carbono más exitosa en el Reino Unido se produce debajo de los pastizales mejorados. [23]
