Comparación de diferentes métodos para el tratamiento de vinazas de la industria de etanol utilizando LCA

Transcripción

1 Comparación de diferentes métodos para el tratamiento de vinazas de la industria de etanol utilizando LCA María Rosa Hernández Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología Universidad Nacional de Tucumán, Argentina Seminario Internacional sobre Energías Renovables Universidad Nacional del Litoral Santa Fe, Argentina Abril 2013

2 Producción de caña de azúcar en Argentina Ubicación de los campos de cultivo de caña de azúcar en la Argentina 1 S. M. del Tabacal 2 Ledesma 3 La Esperanza 4 Río Grande 5 San Isidro 6 La Fronterita 7 Ñuñorco 8 La Providencia 9 La Corona 10 Aguilares 11 Santa Bárbara 12 Marapa 13 La Trinidad 14 Santa Rosa 15 Leales 16 Bella Vista 17 San Juan 18 Cruz Alta 19 Concepción 20 La Florida 21 Las Toscas 22 Arno 23 San Javier

3 La cadena de suministros de la caña de azúcar en Argentina Ingenio Molienda Clarificación Azúcar Cosecha 300,000 hectareas 21 millones ton caña molasses Evaporación Cristalización Secado 2 millones ton Destilería Fermentación ETANOL Destilación Agotamiento Rectificación 220 millones litros Deshidratación

4 Marco Productivo 21 millones toneladas anuales 2 millones toneladas anuales BAGAZO Efluentes

5 Marco Productivo 21 millones toneladas anuales 2 millones toneladas anuales

6 Valores promedios por tonelada de caña molida 110 kg de azucar 300 kg de bagazo (50%w) 1 tonelada de caña (molida) 200 kg de RAC (15%w) (recolectable) 12 litros de alcohol 130 litros de vinaza (10,5 ºBx) PCS del RAC = 3600 kcal/kg (b.s.) PCS de la vinaza = 3550 kcal/kg (b.s.) Molienda total de Tucumán Molienda anual aproximada = toneladas

7 Aspectos relevantes en la producción de etanol Elevado consumo de energía, aproximadamente 5 kg vapor/l alcohol Elevada producción de efluente (vinaza), aproximadamente 10 l vinaza/l alcohol con elevada carga orgánica

8 PFIP - ESPRO Proyectos Federales de Innovación Productiva - Eslabonamientos Productivos Los PFIP-ESPRO constituyen un instrumento de financiamiento destinado a fomentar el acercamiento de la Ciencia y la Tecnología a las necesidades concretas de la producción nacional. El principal objetivo es apoyar el desarrollo competitivo de las cadenas de valor de todo el territorio nacional en correspondencia con las estrategias de desarrollo regional. En este sentido, la superación de las debilidades y desafíos tecnológicos representan un gran impulso para el crecimiento productivo desde una perspectiva específicamente sectorial.

9 Debilidades a superar: Cadena productiva Biocombustibles: 6. Escaso desarrollo de alternativas técnicas para el tratamiento y aprovechamiento de efluentes industriales (vinaza) ENTIDAD BENEFICIARIA: Centro Azucarero Regional Tucumán (CART) UNIDADES EJECUTORAS: Estación Experimental Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC) Planta Piloto de Procesos Industriales Microbiológicos (PROIMI, CONICET) Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología: - Grupo Ing. Procesos Agroindustriales. (IPA) - Departamento de Ingeniería Azucarera. (DAZ)

10 Características de la vinaza La vinaza es un líquido de color marrón oscuro, muy ácido, proveniente de las columnas de destilación con una temperatura superior a los 100 º C, con un olor dulzón que puede ser desagradable. De diez a quince litros de vinaza se producen por cada litro de etanol. La vinaza es considerada un desecho no inerte pero no peligroso. La composición química de la vinaza es variable y depende de la composición química del caldo de cultivo (mosto). Las características del mosto dependen del sistema de fermentación alcohólica, tipo de levadura, la calidad de caña de azúcar y el proceso de cristalización del azúcar.

11 Formas posibles de eliminación de vinaza I Reciclo a los campos de cultivo, para sustituir total o parcialmente otros fertilizantes (fertirrigación). II Digestión anaerobia, utilizando bacterias acetogénicas acidogénicas y metanogénica, para la producción de biogás(ch 4 + CO 2 ). III Compostaje (fermentación aeróbica). IV Concentración de vinaza por evaporación: a) hasta 40% para el reciclo a los campos de cultivo como fertilizante. b) hasta 60% para la combustión en calderas especiales para producir energía.

12 Fertirrigación

13 Fertirrigación Aspersión de vinaza Canal impermeabilizado Distribución en camiones

14 Digestión anaeróbica

15 Digestión anaeróbica anaerobic digestors methanogenic bacteria schematic of a UASB reactor

16 Recolección, traslado y picado del RAC

17 Propuesta Combustión de mezclas de bagazo, RAC y vinaza en calderas bagaceras Dificultades Alternativas Alto contenido de humedad de vinaza Alto contenido de cenizas con bajo punto de fusión en RAC y vinaza Bagazo húmedo + Vinaza concentrada Bagazo húmedo + Vinaza (10,5 Bx)+ RAC(15%w) Bagazo presecado + Vinaza (10,5 Bx) 90%w (b.h.) Bzo: 7% (b.s.) Vza: 30% (b.s.) RAC: 11% (b.s.) Concentración a brix elevados Cantidad limitada de vinaza Cantidad limitada de vinaza Bagazo presecado + Vinaza(10,5)+ RAC(15w) (Ensayos 2011) Bagazo presecado + Vinaza (14,5 Bx) + RAC(15w) (Ensayos 2012)

18 Concentración de Vinaza al 60% (combustión) Vinaza concentrada Evaporación

19 Concentración de Vinaza al 60% (combustión) Vinaza concentrada Evaporadores multiple efecto

20 El Análisis del Ciclo de Vida Definición El ACV es un proceso objetivo para evaluar las cargas ambientales asociadas a un producto, proceso o actividad... identificando y cuantificando la energía y los materiales usados, y los residuos liberados al medioambiente,... para evaluar e implementar oportunidades de hacer mejoras ambientales. La evaluación incluye el ciclo de vida completo del producto, proceso o actividad, comprendiendo la extracción y el procesamiento de las materias primas, fabricación, transporte y distribución; re-uso mantenimiento, reciclaje y disposición final de los residuos. Del inglés Life-Cycle Assessment, SETAC, 1995

21 El Análisis del Ciclo de Vida Fases de un estudio de ACV (serie ISO 14040) Fase I: Definición de los objetivos y del ámbito Fase II: Análisis de inventario Fase III: Evaluación de impacto Fase IV: Interpretación Metodología: Eco-indicador 99, métrica única que engloba once categorías de impacto. Software: SimaPro 7.3 (PRé- Consultants, 2009) y base de datos EcoInvent_v2.

22 El Análisis del Ciclo de Vida Fase 1: Definición de los objetivos y campo de aplicación Objetivo: Evaluar el ciclo de vida de la producción de alcohol anhidro para cuantificar el impacto ambiental asociado e identificar las etapas críticas. El sistema global se divide en tres subsistemas: Agricultura Ingenio azucarero Destilería

23 El Análisis del Ciclo de Vida Fase 2: Análisis de Inventario ENTRADAS AGRICULTURA UNIDAD CANTIDAD FUENTE Dióxido de Carbono kg 0,45098 Calculado del balance de carbono de la caña (Datos de bibliografía) [1] Energía MJ 4,9478 Calculado del balance de energía de la caña (Datos obtenidos de la base de datos Ecoinvent proporcionada por el software Simapro 7,1) Uso de la tierra m 2 /año 0,00182 Cachaza kg 0,018 Urea kg 0,003 Glifosato kg 3,32E-06 Ametrina kg 9,35E-06 Transporte ton/km 5,00E-01 Pesticida kg 4,89E-05 SALIDAS Suministrados por ingenio azucarero Caña de azúcar kg 1 Unidad Funcional EMISIONES AL AIRE Amoníaco kg 7,96E-05 Monóxido de dinitrógeno kg 1,09E-05 Óxidos de nitrógeno kg 2,29E-06 Monóxido de carbono kg 3,00E-02 Partículas >10 μm kg 3,00E-03 EMISIONES AL AGUA Obtenidos de la base de datos Ecoinvent Nitratos kg 2,07E-05 Obtenido de la base de datos Ecoinvent EMISIONES AL SUELO 2,4-D kg 2,31E-06 Glifosato kg 3,32E-06 Obtenidos de la base de datos Ecoinvent

24 El Análisis del Ciclo de Vida destilería Fases 3 y 4: Evaluación de impacto e Interpretación ingenio campo Diagrama de red del modelo de estudio para 1 kg de etanol. Método Ecoindicador 99 - Puntuación Única.

25 El Análisis del Ciclo de Vida destilería ingenio Fases 3 y 4: Evaluación de impacto e Interpretación campo Diagrama de red de emisión de gases de efecto invernadero para la producción de 1 kg de etanol. Método Eco-indicador.

26 Hipótesis del Caso de Estudio El objetivo de este trabajo es determinar el impacto ambiental de tres opciones de eliminación de vinazas para compararlas. Unidad funcional: 100 t de caña de azúcar cosechada, lista para entrar en el trapiche. Método de asignación: de acuerdo a las masas, cuando sea necesario Límites de tiempo: se considera un año de cosecha (zafra), de mayo a noviembre El 90% de los datos han sido proporcionados por un complejo industrial del noroeste de Argentina. El restante 10%, se ha obtenido a partir de la literatura Software: SimaPro 7,3 (Pre Consultants).

27 Caso I: Fertirrigación de los campos gas natural sugarcane mill distillery

28 Caso II: Digestión Anaeróbica (UASB) y combustión de mezclas de vinazas + RAC gas natural sugarcane mill distillery

29 Caso III: Concentración de vinaza a 60 % para su uso como combustible en calderas gas natural sugarcane mill distillery

30 mpt Comparación Case I Case II Case III carcinogens resp.org. resp.inorg. climate change radiation ozone layer ecotox. acidif./eutroph. land use minerals fossil fuels

31 Conclusiones La aplicación del ACV a la evaluación ambiental de la fertirrigación con vinaza sufre de un alto grado de incertidumbre asociado alefecto de las vinazas cuando se aplica al suelo (falta de información fiable y puntuaciones especializadas). Es decir, - La presencia de iones, principalmente de potasio, fosfato y sulfato podría causar salinización del agua subterránea. - Los iones se comportan como compuestos inertes y pueden permanecer en el suelo: donde son convertidos por los microorganismos, extraidos a través de las raíces de la caña de azúcar, volatilizados a la atmósfera, etc

32 Conclusiones Aunque el tratamiento de vinazas no representa un beneficio económico directo, está estrechamente relacionado con la sostenibilidad de la producción de azúcar y etanol. La posibilidad de lograr una visión objetiva de los impactos producidos por cada una de las estrategias de tratamiento hace que el LCA sea una herramienta de apoyo valiosa e imprescindible para la selección de la tecnología más apropiada. Por un lado, las vinazas tienen varias ventajas sobre los fertilizantes minerales, ya que promueven el reciclaje de nutrientes. Por otro lado, la producción de biogás y la concentración de vinazas contribuyen a la reducción de gases de efecto invernadero. La comparación entre estos dos beneficios ambientales, que son excluyentes entre sí, es un verdadero reto en la evaluación de la sostenibilidad del etanol.

33 Seminario Internacional sobre Energías Renovables Universidad Nacional del Litoral Santa Fe, Argentina Abril 2013 Gracias por su atención!!