Análisis De Ciclo De Vida De Producción De Electricidad Por Medio De La Caña De Azucar 4a3w4y

Dirección de Postgrado Facultad de Ingeniería

Facultad de Ciencias Biológicas Facultad de Ciencias Ambientales Programa de Magíster en Gestión Integrada: Medio Ambiente, Riesgos Laborales y Responsabilidad Social Empresarial

ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA DE PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD POR MEDIO DE LA CAÑA DE AZUCAR

ASIGNATURA: Evaluación Ambiental y Social del Ciclo de vida PROFESORES: Claudio Zaror Zaror Yannay Casas Ledón

Integrantes: Francisco Larenas Letelier Joselyn Navarrete Gallegos Leodan Zapata Fernández

Concepción, 15 de septiembre del 2018 1

Índice Resumen .............................................................................................................................. 3 Abstract................................................................................................................................. 3 Palabras Claves ................................................................................................................ 3 1.1

Introducción ................................................................................................................ 4

1.1.1 1.2

Metodología ............................................................................................................... 5

1.2.1 1.3 1.4

Objetivos ............................................................................................................ 5

Análisis proceso ................................................................................................. 5

Resultados ................................................................................................................. 8 Conclusiones. ............................................................................................................. 9

Tabla 1: Inventario Agricultura .............................................................................................. 6 Tabla 2: Inventario Producción Bagazo ................................................................................. 7 Tabla 3: Inventario Producción Vapor ................................................................................... 7 Tabla 4: Inventario de la Producción de Electricidad ............................................................. 7 Figura 1: Procesos de Generación Eléctrica por Bagazo ...................................................... 6 Figura 2: Tabla Puntuación Única ......................................................................................... 9

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ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA DE PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD POR MEDIO DE LA CAÑA DE AZUCAR Francisco Larenas Letelier, Yoselyn Navarrete Gallegos, Leodan Zapata Fernández Magister en Gestión Integrada, Medioambiente, Riesgos Laborales y Responsabilidad Social, Facultad de Ciencias ambientales-EULA Chile. Universidad de Concepción. Víctor Lamas Nº 1290. Concepción. Chile.

Resumen El proceso de cogeneración a partir del bagazo de la caña de azúcar es una forma alternativa de reducir el consumo de combustibles fósiles. En la evaluación ambiental de productos, procesos y servicios, se recurrió a la metodología del análisis del ciclo de vida (LCA), la que comúnmente se usa. Este estudio tuvo como objetivo cuantificar el nivel de impacto de cada subproducto generado en cada unidad funcional del proceso de cogeneración de energía través del bagazo de caña de azúcar, considerando los límites del sistema, desde la cuna a la tumba. Para hacer esto, se trabajó en base a un inventario definido del ciclo de vida, tomando una base de cogeneración eléctrica de 1000 kWh por día como unidad funcional establecida. Para efectos de este estudio, se utilizó la herramienta LCA, aplicando la metodología desarrollada por Contreras (2007) para la producción de caña de azúcar en Cuba, basado en los estándares cubanos de la serie ISO 14040 (ISO 14040 NC, 2005; NC ISO 14041, 2000, NC ISO 14042, 2001, NC ISO 14043, 2001), para posteriormente utilizar el software software SimaPro 8.0.5.13. Los resultados mostraron que el subproceso de la generación de vapor ocasiona un daño significativo en la categoría de la salud de las personas, esto debido a la contribución principal de sustancias como Dióxido de carbono, monóxido carbono, óxido de azufre y óxidos de nitrógeno que son liberados al aire.

Abstract The process of cogeneration from sugarcane bagasse is an alternative way to reduce fossil fuel consumption. In the environmental evaluation of products, processes and services, the methodology of life cycle analysis (LCA) is commonly used. The objective of this study was to quantify the level of impact of each co-product generated in each functional unit of the process of co-generation of energy through the bagasse of sugarcane, considering the system's limits (cradle-grave). To do this, a defined inventory of the life cycle was taken up, taking an electric cogeneration base of 1000 kWh per day as an established functional unit. For the purposes of this study, the LCA tool was used, applying the methodology developed by Contreras (2007) for the production of sugarcane in Cuba, based on Cuban standards of the ISO 14040 series (ISO 14040 NC, 2005; NC ISO 14041, 2000, NC ISO 14042, 2001, NC ISO 14043, 2001), to later use the software software SimaPro v8.0.5.13. The results showed that the process of steam generation causes significant damage in the category of people's health, this due to the main contribution of substances such as carbon dioxide, carbon monoxide, sulfur oxide and nitrogen oxides that are released into the air.

Palabras Claves Impactos Ambientales, Caña Azúcar, Bagazo, Cogeneración, Energía Eléctrica.

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1.1 Introducción En las últimas décadas ha habido una preocupación creciente por el impacto de la actividad humana en el medio ambiente que es un receptor de desechos y también un proveedor de recursos y energía. Por consiguiente, en la nueva cultura ambiental impone límites a la aceptación de la explotación incontrolada de recursos, terminando un período en el que procesos industriales se llevaron a cabo sin preocuparse por el impacto ambiental (Rieradevall y Vinyets, 1999; Rodríguez, 2004). Por lo tanto, se desarrollan nuevas estrategias para reducir el impacto ambiental de la actividad industrial, principalmente basado en un enfoque preventivo integral que promueve un enfoque más eficiente uso de materiales y recursos energéticos, aumentando la productividad y competitividad. La caña de azúcar se considera un cultivo valioso, ya que el azúcar es un producto esencial para la vida humana y, por lo tanto, muy demandado en el mercado mundial. En el pasado, la industria de la caña de azúcar producía solo azúcar, pero ahora también produce electricidad a partir del bagazo y etanol a partir de melaza (Ramjeawon, 2004; Buddadde et al., 2008; Nguyen et al., 2009). El bagazo se considera un subproducto útil para sistemas combinados de vapor y electricidad y la principal fuente de energía en la producción de azúcar (Botha y Blottnitz, 2006). La electricidad generada a partir del bagazo se usa comúnmente en la producción de azúcar y el excedente se exporta a la red nacional (Van den Broek et al., 2000; Ramjeawon, 2008; Renouf y otros, 2008; Buddadde et al., 2008; Nguyen et al., 2009; Nguyen y Hermansen, 2012). A medida que la industria de la caña de azúcar genera graves problemas

ambientales, se considera un contaminante importante, que requiere una alternativa soluciones para minimizar sus impactos. Emisiones y combustibles fósiles el consumo en diferentes etapas del ciclo de vida se encuentran entre los elementos que contribuyen a la contaminación ambiental (Pérez, 2009; Chauhan et al., 2011; Nguyen y Hermansen, 2012). En este sentido, la cogeneración los procesos se implementan usando bagazo para generar energía a menor costo, que también requieren el uso de varios métodos para mejorar su eficiencia, como bombas eficientes, motores y equipos para la recuperación de calor como precalentadores y economizadores para mejorar su eficiencia (Ramjatun et al., 1999; Deepchand, 2001). La práctica actual de la cogeneración puede reducir los combustibles fósiles consumo y emisiones asociadas a la combustión, evitando calentamiento global. Al mismo tiempo, la eliminación inadecuada de se evita el bagazo como residuo de este proceso (Van den Broek et al., 2000; Roqueta y Guinda, 2003; Ensinas et al., 2007; Rosen, 2008). Sin embargo, el uso del bagazo como combustible produce emisiones que causan impactos significativos en la salud humana y el ecosistema, que debe ser cuantificado (Renouf, 2002; Jafar et al., 2008; Buddadde et al., 2008; Al-Amin et al., 2009; Grillo y otros, 2011). Para cuantificar la sostenibilidad de las tecnologías, metodología del Análisis del ciclo de vida (ACV) se implementa comúnmente que es una herramienta para la evaluación ambiental de productos, procesos y servicios (Rosen, 2008; Ometto et al., 2009; Chauhan et al., 2011; Grillo et al., 2011, Dewulf y Van, 2005). Esta metodología integra los impactos ambientales durante la vida ciclo de un producto y los relaciona con el impacto al medio ambiente. Además, también permite 4

establecer ciertas prioridades para definir estrategias preventivas para la mejora del rendimiento (Fullana, 2002; Iglesias, 2005; NC ISO 14040, 2005, Varun et al., 2009). En Cuba existen diferentes sistemas de cogeneración, necesarios para satisfacer las necesidades de vapor y energía en la producción de azúcar y exportar el excedente a la red nacional (Reyes et al., 2002; Mesa y González, 2003; Torres, 2007). Para efectos de este estudio, se utilizó la herramienta LCA, aplicando la metodología desarrollada por Contreras (2007) para la producción de caña de azúcar en Cuba, basado en los estándares cubanos de la serie ISO 14040 (ISO 14040 NC, 2005; NC ISO 14041, 2000, NC ISO 14042, 2001, NC ISO 14043, 2001). Las fases involucradas en esta metodología se describen a continuación:

1.1.1

Objetivos

1.-Cuantificar el nivel de impacto de cada subproducto generado en cada unidad funcional del proceso de cogeneración de energía través del bagazo de caña de azúcar, considerando los límites del sistema desde la cuna a la tumba. 2.-Cuantificar el impacto global del sistema, mediante la cuantificación de cada unidad funcional. 3.-Conocer empíricamente el funcionamiento del software SimaPro 8.0.5.13.

1.2 Metodología Para el modelo básico del estudio del proceso de cogeneración de energía eléctrica, por medio de la producción de bagazo, se ocupó un inventario definido del ciclo de vida, tomando una base de cogeneración eléctrica de 1000 kWh por día como unidad funcional establecida.

De acuerdo con la Fig. 1, para el ciclo de vida de este proceso se consideraron cuatro etapas: agricultura, producción de bagazo, generación de vapor y generación de electricidad, con sus respectivas entradas y salidas relacionado con materias primas, energía, productos, subproductos y emisiones a la naturaleza. Posteriormente, fueron consideradas las entradas y salidas de cada unidad funcional, calculando la carga respectiva a través de la ley de asignación de cargas, los cuales permitirán definir el análisis del efecto, en cuanto al resultado del cálculo de la concentración que cada unidad del inventario aporta a la tecnosfera y/o a la naturaleza. Los antecedentes proporcionados de los consumos de cada contaminante, en relación con la medición de los impactos y sus categorías, fueron calculadas desde el inventario de la base de datos del software SimaPro 8.0.5.13.

1.2.1

Análisis proceso

La agricultura es un subproceso que se inicia con el cultivo de la semilla de la caña de azúcar (materia prima), el cual tiene como principales insumos elementos que aporta la naturaleza, de los cuales se identifican la energía solar, el agua y el uso de suelos. En cuanto al aporte de la tecnosfera, se identifican los ingresos del diesel, pesticidas y fertilizantes. El resultado de la transformación de este subproceso genera dos líneas de salida: en primer lugar, para la naturaleza, en donde se identifica un producto evitado, que se describe como insumos para alimentación de animales, producto de los residuos agrícolas que produce la caña de azúcar, y los relacionados con las emisiones tanto al aire, agua y tierra que 5

Figura 1: Procesos de Generación Eléctrica por Bagazo Sulfatante 90

se identifican como, NOX, SOX, CO, CO2, fertilizantes, combustibles y aceites. En segundo lugar, la salida que contribuye al proceso en estudio es la caña de azúcar. Tabla 1: Inventario Agricultura Recurso

Unidad

Cantidad

Uso de Suelo

m2/d

2049

Agua

m3/d

94,24

kg/d

0,0674

Urea

kg/d

45,64

Triple superphosphate

kg/d

12,54

potassium chloride

kg/d

40,96

filter cake

kg/d

7170,64

Ceniza

kg/d

4097,51

vinasse

kg/d

24585,0 4

kg/d

14628,1 0

kg/d

3145,04

kg/d

0,0363

pesticidas

kg/d

0,00001

Nitrógeno total

kg/d

0.0025

kg/d

0,002

Fertilizantes Utilizados

salidas conocidas a la tecnosfera. productos y coproductos

Entradas Conocidas de la tecnosfera diesel

kg/d

151,52

semilla azúcar

kg/d

40,67

Diuron

kg/d

0,1208

Glyphosate

kg/d

0,2970

Gesapox 80

kg/d

0,1460

MSMA 72

kg/d

0,2190

Amine salt 72

kg/d

0,0764

Isoctilic eter 48

kg/d

0,3560

Asulox 40

kg/d

0,7640

Gramoxone

kg/d

0,0102

Amigan 65

kg/d

0,0509

Merlin 75

kg/d

0,0036

Pesticidas usados

caña de azúcar

salidas conocidas a la tecnosfera, Productos evitados Residuos Agrícolas Emisiones al aire óxidos de nitrógeno Emisiones al agua

Emisiones al suelo Pesticidas

Siguiendo con la ruta del proceso en estudio, el segundo subproceso se denomina la producción de bagazo y en 6

ella, se logra identificar que, como ingreso de la tecnosfera, el insumo proviene de la caña de azúcar ya procesada, la que, con el insumo del agua producido por la naturaleza, logra producir la mezcla de jugos para la producción de los derivados de la caña de azúcar y por otro lado produce el bagazo como insumo para la generación de vapor.

(materiales / combustible) bagazo

kg/d

4827,23

kg/d

10620,0 0

kg/d

3,02

Material particulado

kg/d

57,30

Óxido de nitrógeno

kg/d

16200,0 0

Óxido de azufre

kg/d

5,07

Dióxido de Carbono

kg/d

6460,00

Salidas conocidas de la tecnosfera. Productos y coproductos Vapor

Salidas conocidas de la tecnosfera. Productos evitados. Cenizas

Tabla 2: Inventario Producción Bagazo Emisiones al aire Recurso

Unidad

Cantidad

Entradas Conocidas de la naturaleza Agua

kg/d

4,52

Entrada Conocida de la tecnosfera(materiales/combustibles) Caña de azúcar

kg/d

14628,10

Salidas Conocidas de la tecnosfera bagazo

kg/d

4827,23

Mixed Juice

kg/d

14189,26

El tercer subproceso, se denomina de la generación de vapor, en donde se identifica como elementos de entrada de la naturaleza el aire y el agua y como elemento de la tecnosfera la producción del bagazo. En lo relacionado con la salida a la naturaleza, la generación de cenizas que provoca el proceso es utilizada como producto para fertilizantes y las emisiones al aire que se identifican como NOX, SOX, CO2, PM. En lo relacionado con la salida a la tecnosfera, se identifica el vapor.

Tabla 4: Inventario de la Producción de Electricidad Recurso

Unidad

Cantidad

kg/d

10620,0

Energía eléctrica

kWh/d

1000,00

vapor

kWh/d

7800,89

Entradas conocidas de la tecnosfera Vapor Salidas conocidas de la tecnosfera(materiales/combustibles)

Tabla 3: Inventario Producción Vapor Recurso

Finalmente, el cuarto subproceso, es el denominado generación de energía eléctrica, cuyos elementos de entrada responden a la tecnosfera, como lo es la producción de vapor, y sus elementos de salida también se dirigen a la tecnosfera en vapor para producción y en la electricidad como el producto para la red nacional y como producto para el desarrollo del proceso.

Unidad

Cantidad

Entradas conocidas desde la naturaleza Aire

kg/d

13886,5 1

Agua

m3/d

11,69

Entradas conocidas de la tecnosfera

En lo que se refiere al análisis de la exposición, una vez definido el ciclo de vida de la producción de electricidad y revisado el inventario de los elementos de cálculo para cada uno de los subprocesos, 7

en cuanto a las salidas y entradas involucradas, tanto para la (o desde) naturaleza, como para la (o desde) la tecnosfera, se llevó a cabo la clasificación requerida en cuanto a la caracterización de los impactos al medioambiente, cuya clasificación identifica las siguientes consideraciones: ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Impactos cancerígenos Comp. respiratorios orgánicos Comp. respiratorios inorgánicos Cambio climático Radiación Capa de ozono Ecotoxicidad Acidificación / Eutrofización Uso de la Tierra Minerales Combustibles Fósiles

Con todo, procede desarrollar un tercer procedimiento relacionado con la Evaluación de Impacto, en el cual se debe desarrollar un análisis de calidad y definir las macro áreas de protección, las que así mismo se clasifican como de salud humana, calidad del ecosistema y de los recursos. La evaluación del impacto, entonces se medirá desde dos puntos de vistas: desde el punto de vista de la caracterización, el que tiene la posibilidad de medir cada subproceso en todos sus impactos o desde el punto de vista de las áreas de protección, en donde se evaluará, cada subproceso en las tres macro áreas. Continuando con el procedimiento, corresponde ponderar y normalizar los valores entregados por la evaluación por medio de la aplicación SimaPro 8.0.5.13 y a través del método de evaluación Ecoindicator 99 (H) V2.10 / Europe EI 99 H/H, con los cuales se analizan los tres tipos diferentes de daños, antes señalados: la salud humana, la calidad del ecosistema y los recursos. La información relevante sobre esta metodología se encuentra

asignada a una unidad estándar de medida, reflejada en point (Pt), dado que el objetivo de este análisis es poder llevar a cabo la comparación de productos o componentes.,

1.3 Resultados De acuerdo con los resultados de los cálculos obtenidos del procedimiento realizado, y con la información arrojada en el análisis de la puntuación única, se puede identificar claramente los nodos críticos y brechas de impacto por cada uno de los subprocesos y con ello planificar las acciones preventivas y correctivas para la optimización del proceso de generación de electricidad con bagazo de la caña de azúcar. En cuanto al subproceso de agricultura según el gráfico de puntuación única (figura 2) no representa mayores daños a la salud humana, calidad del ecosistema y de los recursos naturales, debido a que la concentración de unidades de recursos según inventario, no generan un impacto superior en su globalidad al 1,2 kPt. En lo que se refiere al subproceso de generación de vapor, se puede inferir que es un gran contaminante del aire y que con ello puede provocar complicaciones a la salud humana en cuanto a los contaminantes de componentes inorgánicos que este produce tales como monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido de nitrógeno y óxido de azufre y que representan 49,55 kPt. En cuanto al subproceso de la producción de bagazo, los valores obtenidos en la figura 2 demuestran que el impacto generado en las 3 áreas no es significativo, para el caso de estudio, debido a que una de las salidas de este proceso, se refiere a un coproducto, que genera otra línea de 8

Figura 2: Tabla Puntuación Única

proceso, que requiere de otro análisis de efectos e impactos. Como último subproceso se encuentra la generación de electricidad la que presenta un leve daño a la salud de las personas debido a que esté procesos contempla la generación de vapor. la producción de electricidad por medio de la utilización del bagazo representa una fuente de ingresos importante para cuba, pero hay que tener en consideración los efectos negativos que genera este proceso en especial el más importante que dentro de la evaluación realizada queda definido en los procesos que tributan en forma indirecta en la producción del vapor y que están dados por los compuestos inorgánicos.

1.4 Conclusiones. La agroindustria azucarera, junto con ser el principal cultivo de Cuba, es la fuente más importante de producción de biomasa para la generación de energía renovable, lo que se logra mediante el aprovechamiento del bagazo y los residuos agrícolas derivados del proceso de la caña de azúcar. La generación de electricidad por medio del proceso de aprovechamiento de la

producción de la caña de azúcar, genera diversos tipos de beneficios, en donde se enumeran los coproductos que derivan de sus distintos subprocesos, un ejemplo claro de esta situación son los residuos agrícolas, derivados de la actividad agrícola de la producción y transformación de la caña de azúcar, el que puede ser utilizado como alimento para los animales, o en el caso de las cenizas generadas por la producción de vapor, como fertilizantes para cultivos venideros. De la misma forma en que este proceso genera beneficios, también genera impactos negativos, por sobre todo para la calidad del ecosistema y la salud de las personas, claro ejemplo de ello se puede ver reflejado en la evaluación realizada, la cual nos demuestra, que el subproceso de generación de vapor ocasiona un daño significativo a la salud de las personas debido a la generación de sustancias como el dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxido de azufre y óxidos de nitrógeno que son liberados al aire, elementos que requieren de una urgente modernización en su modelo de transformación, con el fin de eliminar las brechas medioambientales que esto provoca y así evitar efectos colaterales sobre todo en las políticas publicas de salud. 9