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1. Introducción
En 2013 cerca del 80% el consumo mundial de energía fue suministrado por los combustibles fósiles, mientras que al rededor del 20% fue derivado de energías renovables. La tendencia de los últimos cien años en el uso de energía fósil parece estar cambiando, ya que en muchos países la proporción en el uso de energías renovables ha crecido de manera importante en las últimas décadas Esta tendencia se puede observaren un dato relevante: mientras que en el año 2005 55 países tenían políticas tendientes a la promoción y uso de energías renovables, en 2011 la cifra alcanza a 118 y 144 en 2015 [1,2].
Colombia ha venido incursionado progresivamente en el campo de los biocombustibles, dicha incursión se vio reflejada en la expedición de la Ley 693 del 2001 que promueve la producción y utilización de alcoholes carburantes en el territorio nacional, y de la Ley 939 de 2004 que pretende estimular la producción y comercialización de biocombustibles de origen vegetal o animal para uso en motores diésel. Estas políticas estuvieron orientadas a diversificar la canasta energética con criterios de sostenibilidad ambiental, desarrollo agroindustrial y autosuficiencia energética [3]. El uso de biocombustibles supone algunos beneficios como la mejora de la combustión interna de los motores y la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero, sin embargo, existe una evidente discrepancia respecto a ambientales perjudiciales sobre el suelo y la biodiversidad, debido a la extensión de la frontera agrícola generada por cultivos utilizados en los biocombustibles de primera generación, tales como caña de azúcar y palma de aceite. Uno de los argumentos expresados por los escépticos, es el riesgo que se puede generar sobre la seguridad alimentaria, debido al incremento en el precio de los cereales [4], tales indicios han generado una dudosa reputación de estos combustibles respecto a sus beneficios ambientales.
Con el fin de no utilizar materias primas alimenticias para producción de combustibles, se han considerado alternativas tales como el reciclaje de materiales residuales, lo que ha sido considerado como una importante estrategia en el campo de la innovación ambiental de productos [5]. Un claro ejemplo de material residual potencialmente reutilizable es el aceite vegetal usado (AVU), también llamado aceite de fritura o de cocina. El Aceite de cocina usado provoca graves problemas ambientales, a modo de ejemplo, un litro de aceite vertido en un curso de agua puede contaminar hasta 500.000 litros [6]. Es por ello que dicho residuo se presenta como una adecuada materia prima para la producción de biodiesel. Las experiencias llevadas a cabo en diversos países, han mostrado excelentes resultados, tal es el caso de España, donde existen sistemas de recolección de AVU tanto en hogares, como restaurantes, hoteles e industrias de alimentos [7]. En el caso de Colombia, existe un problema claramente identificado y es que la cultura del reciclaje de AVU es aún incipiente. Adicionalmente, no existe una legislación que regule la disposición de este residuo al no estar clasificado como una sustancia peligrosa para la salud humana y el ambiente, aun teniendo las características para ser considerado como tal [6].
Lo anterior genera un interesante espectro de posibilidades que permite pensar que existe en Colombia, el potencial para producir biodiesel a partir de AVU. Para ello, es necesario establecer sus ventajas ambientales.
Con la finalidad de conocer el impacto ambiental de la fabricación de biodiesel a partir de AVU, es necesario analizar toda la cadena productiva de este proceso desde la adquisición del aceite usado, su limpieza y transformación y su uso final como combustible. Este análisis se realiza por medio de la herramienta conocida como Análisis de Ciclo de Vida (ACV). El ACV constituye una de las principales herramientas para valorar el desarrollo sostenible de los productos y servicios. Es una herramienta de gestión ambiental que evalúa de modo sistemático los impactos ambientales de un producto a través de su ciclo de vida desde la adquisición de la materia prima hasta el uso final [8].
Esta herramienta de gestión ambiental se encuentra desarrollada a través de las normas ISO 14040 e ISO 14044 (Organización Internacional de Normalización) sobre gestión ambiental [9], donde se presenta la metodología, los principios y conceptos básicos para realizar el análisis. El ACV está definido por las fronteras del sistema en estudio y consiste en llevar la contabilidad de los impactos ambientales más significativos (gases de efecto invernadero, acidificación, eutrofización, etc.) asociados a los materiales y la energía consumida y generada dentro de los límites de ese sistema para obtener el producto deseado. A través de la identificación de la función del sistema en estudio, se establece la unidad funcional, la cual es una magnitud física que describe una propiedad del producto, cantidad (1L, 1Kg) energía contenida (1KJ), servicio que presta (1Km), etc. con el fin cuantificar, referida a esta unidad, las corrientes de materia y energía que entran y salen de los límites del sistema [10].
Existe un reciente e importante número de estudios sobre la producción de biodiesel a partir de AVU, donde se evalúa su viabilidad técnica demostrando que se pueden alcanzar rendimientos hasta del 90% empleando catalizadores alcalinos, relaciones metanol/aceite entre 7/8 y temperaturas entre 30 y 50°C [11-14]. Sin embargo, son significativamente pocos y recientes, los trabajos encontrados donde se evalúen los impactos ambientales generados por el biodiésel derivado de este novedoso proceso [15,16]. La mayoría de estudios de ACV para la producción de biodiésel se han realizado a partir de otras fuentes de materias primas [17,18].
En este trabajo, se desarrolla un ACV de la producción de biodiesel proveniente de AVU, teniendo en cuenta las condiciones y características de las tecnologías de producción que se vienen desarrollando en el país. Teniendo como motivación principal, suplir parte de la información que hace falta sobre los aspectos ambientales de mayor relevancia en el proceso en estudio.
2. Metodología
La metodología desarrollada, está orientada hacia dos áreas claramente identificadas, por una parte, el análisis de procesos y por otra, la evaluación ambiental. En el caso del análisis de procesos, teniendo en cuenta que no siempre se cuenta con información de todas las etapas del proceso en estudio, fue necesario simular con ayuda de la herramienta computacional Super Pro designer® 4.5, aquellas etapas de las cuales no se contó con información. Por otra parte, la evaluación ambiental, se basó en el procedimiento establecido en la Norma ISO 14040, que contiene los principios y marco de referencia para el ACV [8,9]. El desarrollo del ACV, estuvo soportado, al igual que en el caso del análisis de procesos, en una herramienta informática SIMAPROTM.
Los pasos desarrollados como parte de la metodología, iniciaron con una búsqueda exhaustiva de información relacionada con el proceso, posteriormente se desarrollaron los balances de materia y energía, y finalmente se llevó a cabo el ACV del biodiesel de AVU, aplicando las diversas etapas de la metodología.
2.1. Búsqueda de información
Incluyó la descripción detallada de las etapas que comprende la producción de biodiesel de AVU, a partir de la revisión bibliográfica de documentos sobre experiencias reales de producción de biocombustibles y en artículos de investigación. Se determinaron características específicas y datos cuantitativos de los materiales utilizados en cada etapa del proceso, y sobre las fuentes de energía necesaria para la trasformación de los mismos. Se dio prioridad a datos de investigaciones realizadas en Colombia y cuando no fue posible obtener datos cuantitativos para este país, se utilizaron de otros países. También fue necesario realizar suposiciones referentes a datos técnicos de los cuales no fue posible obtener información específica.
El proceso estudiado comprende la recolección de AVU en camiones, para ser transportado hacia la planta. En la etapa de limpieza el aceite usado, se filtra y se disminuye su acidez para posteriormente ser conducido al proceso de transesterificación, donde el aceite usado reacciona en presencia de un alcohol (metanol) y un catalizador básico (metóxido de sodio) para generar biodiesel. El proceso termina con la distribución y uso del biocombustible.
2.2. Balances de materia y energía
Se realizó la identificación de entradas y salidas de materiales y energía utilizada en las diferentes etapas de producción.
2.3. Análisis del ciclo de vida
Se desarrollaron las cuatro etapas que comprende el ACV.
2.3.1. Definición del objetivo y alcance del estudio
Esta fase de la metodología establece el objetivo buscado con el estudio y el alcance esperado, así mismo, el nivel de detalle que permite alcanzar el objetivo propuesto. En la Fig. 1, se presentan en forma esquemática los límites del sistema estudiado.
El alcance, garantiza que se obtenga información de las etapas de producción de biodiesel a partir de AVU, de una forma tan cercana a la realidad como sea posible. El enfoque de este estudio, se denomina “de la cuna a la tumba” [19], cuantificando entradas y salidas del proceso, desde la extracción de materias primas hasta el uso del producto.
2.3.2 Análisis de inventario
Se determinaron los flujos de entrada y salida de materiales y energía y se calcularon los requerimientos para la producción de biodiesel y las emisiones producidas con el fin de establecer las principales fuentes de emisión de GEI y/o sustancias contaminantes.
2.3.3. Evaluación de impacto
Se seleccionó el método de cálculo Environmental Product Declarations (EPD) o Declaración ambiental de productos, el cual aporta información cuantitativa de impactos ambientales de un producto en su ciclo de vida. El método EPD incorporado en SimaPro 8.0.1, analiza las categorías de impacto Energía no renovable, Cambio climático, Agotamiento del ozono, Acidificación, Formación de oxidantes fotoquímicos, Eutrofización [20,21].
2.3.4. Interpretación de resultados
De acuerdo con los impactos y emisiones del proceso, la interpretación de los resultados permitió establecer las conclusiones respecto al potencial de deterioro medioambiental generado por el mismo y la conveniencia de realizar mejoras en el proceso de producción para reducir los impactos.
2.4. Herramientas informáticas utilizadas
Tal como se describió en apartados anteriores, fue necesario el uso de herramientas informáticas para desarrollar por una parte, el análisis del inventario del ciclo de vida y por otra la evaluación de los impactos. En el primer caso, los inventarios de las etapas de las cuales no se contaba con información del proceso, fueron realizados utilizando el software SuperPro Designer® 4.5 comercializado por Intelligen, Inc., el cual la simulación, evaluación y optimización de procesos integrados en una amplia gama de industrias biotecnológicas. En este estudio en concreto, se desarrolló la simulación de procesos en estado estacionario. Para realizar los cálculos de la energía, se utilizó la teoría básica para el cálculo de la potencia de las operaciones que requieren sistema de mezclado por agitación mecánica [22].
Por otra parte, para la evaluación de los impactos del ciclo de vida, se usó la herramienta informática comercial denominada SIMAPROTM (http://www.pre.nl/simapro). SimaPro es una herramienta desarrollada por Pré Consultants analiza y compara los aspectos medioambientales de un producto o proceso de una manera sistemática y consistente cumpliendo las recomendaciones de las normas ISO 14040 e ISO 14044. El software cuenta con la base de datos Ecoinvent que proporciona datos a nivel mundial sobre variedad de procesos. Una vez desarrollados los inventarios de las diferentes etapas del proceso, esta información se ingresó en el software y se obtuvieron los datos de los impactos evaluados, a partir de los factores de caracterización de las corrientes identificadas en el inventario.
3. Resultados
Los resultados que se describen a continuación presentan de manera detallada los inventarios cada una de las etapas del proceso, los impactos generados de acuerdo a las categorías de impacto evaluadas y los factores que más peso tienen en este resultado.
Tabla 1 Entradas y salidas etapa de recolección de AVU.
* Kg corresponden al consumo para la distancia total estimada.
Fuente: Elaboración propia.
3.1. Análisis de inventario
Los resultados del análisis de inventario contienen la información detallada de las entradas y salidas de materia y energía de cada uno de los cuatros subprocesos evaluados. En la Tabla 1 se presentan las entradas y salidas calculadas del subproceso de recolección del aceite en donde se observa que el factor principal que aporta al impacto es el combustible.
En la Tabla 2 se presentan las entradas y salidas de materia y energía calculadas para el subproceso de limpieza del aceite vegetal usado obtenido en la etapa de recolección. Se observa que las principales fuentes de energía son la eléctrica y la fósil, siendo esta última fuente empleada de manera intensiva para el calentamiento en las etapas de secado, mientras que el agua y el hidróxido de sodio son los materiales más importantes que se involucran en el proceso, diferentes a los componentes de la misma materia prima.
En la Tabla 3 se presentan las entradas y salidas de materia y energía calculadas para el subproceso de transformación del AVU en biodiesel. De la misma manera que en la etapa de limpieza, la energía fósil es la fuente más empleada para el calentamiento en las etapas de transesterificación y secado del biodiesel, mientras que la energía eléctrica es principalmente empleada para operaciones de agitación y mezcla. En esta etapa, el metanol, el hidróxido de sodio y el agua son los principales materiales empleados diferentes de los componentes de la materia prima.
Finalmente, en la Tabla 4 se presentan las entradas y salidas de materia y energía calculadas para el subproceso de distribución del biocombustible. Acá, al igual que en la etapa de recolección el principal insumo es el combustible empleado en el transporte.
3.2. Evaluación de impacto
Aquí se presentan los principales impactos encontrados sobre los cuatro subprocesos, con respecto a las categorías de impacto: Calentamiento global, agotamiento de la capa de ozono, oxidación fotoquímica, acidificación, eutrofización y fósiles no renovables. Se encontró que para los subprocesos de recolección y distribución, la principal fuente de impacto es el combustible, pues fue el único elemento considerado. Este combustible, trae una carga ambiental asociada a su proceso de producción, que impacta todas las categorías mencionadas.
En la Fig. 2, se presentan los impactos ambientales asociados a cada una de las categorías para los subprocesos de limpieza y de transformación. Se puede observar que en todas las categorías el factor que presenta el mayor peso en la generación de impactos es nuevamente el combustible, en este caso empleado para la generación de vapor. El hidróxido de sodio tiene asociados unos impactos que inciden en las categorías de calentamiento global, acidificación, eutrofización, no renovables y en menor proporción para la categoría de oxidación fotoquímica.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 2 Impactos ambientales asociados a los subprocesos de limpieza (arriba) y transformación (abajo) del aceite vegetal usado.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 3 Comparación de impacto ambiental producción de biodiesel de AVU.
Los impactos asociados el subproceso de transformación del biodiesel tienen como una de las fuentes principales el uso de energía fósil, tal como se ha observado en los demás subprocesos.
Sin embargo, el metanol se presenta como el factor de mayor impacto en este subproceso incidiendo en las categorías de oxidación fotoquímica, acidificación y no renovables, principalmente. El hidróxido de sodio también se presenta como una fuente de impactos ambientales en las categorías de calentamiento global y eutrofización.
La Fig. 3 muestran los impactos relacionados con las diferentes categorías, asociados a cada uno de los cuatro subprocesos estudiados. Se observa que el subproceso de transformación o transesterificación es el que impacta en mayor medida al proceso global en todas las categorías evaluadas. En segundo orden de impacto sobre el proceso se encuentra el subproceso de limpieza, incidiendo sobre las categorías de agotamiento de la capa de ozono, eutrofización y calentamiento global.
Estos resultados correlacionan con el número de elementos materiales y energéticos que se involucraron en cada subproceso.
3.3. Eficiencia energética del proceso de producción de biodiesel
La eficiencia energética del proceso se determinó empleando la información de energía consumida presentada en el análisis de inventario de flujos de materia y energía. Estos valores sintetizados se presentan en la Tabla 5.
Tomando una base de cálculo de 100 Kg de AVU, estequiométricamente en el proceso se producen 99,33 kg de biodiesel. Con este valor se calculó la energía contenida en esta cantidad de biodiesel, tal como se muestra en la Tabla 6.
La relación entre contenido energético de biodiesel (3.695.076 KJ) y el consumo energético de todo el proceso (867.952 KJ), arrojó un valor de 4,25 mostrando una ganancia energética que está principalmente asociada al contenido energético del AVU, que fue acumulado mediante el proceso de fotosíntesis de las oleaginosas.
3.4. Interpretación de resultados
Se encontró que, en la categoría de cambio climático, el mayor porcentaje de contribución se presenta en la etapa de limpieza del AVU (89,5%); en esta etapa se generan emisiones de gases de efecto invernadero originados por la producción y combustión del diésel utilizado en el calentamiento (caldera) y en menor proporción por la emisión que genera la producción del hidróxido de sodio (10,5%). Sin embargo, en la etapa de transformación del AVU, el subproceso de calentamiento que se realiza con el mismo combustible fósil que en la etapa de limpieza, contribuye con 37,5% en esta categoría de impacto. El metanol contribuye con un porcentaje de 59,6% y en menor porcentaje, el uso del hidróxido de sodio con 4,63%. Según estos porcentajes, la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) en el proceso analizado está dada por la producción y uso de combustible fósil (aceite), hidróxido de sodio y metanol. Respecto al hidróxido de sodio y el metanol, se puede decir que la contribución al impacto ambiental de estos insumos podría estar relacionada directamente a su proceso de producción, más que al uso en la producción de biodiesel. Estos insumos traen consigo una carga ambiental propia de su fabricación en la que se utiliza combustible fósil como energía para las unidades de proceso.
En la categoría de impacto agotamiento de la capa de ozono, se encontró que existe una contribución al impacto ambiental de 100% en las etapas de limpieza y transformación del AVU, lo que indicaría que en dichas etapas se presentan emisiones de clorofluocarbonados (CFC), sin embargo debido a que estas sustancias se utilizan generalmente como refrigerantes en el sector industrial, estas emisiones no corresponden directamente al proceso de producción del biodiesel sino a la fabricación de los insumos utilizados en el proceso, como se mencionó anteriormente estas son las cargas ambientales atribuibles a etapas previas del proceso.
La formación de oxidantes fotoquímicos tiene una contribución del 98,1% en la etapa de limpieza del AVU dado por el uso de energía para calentamiento, sin embargo, en la etapa de transformación del AVU, no es éste el insumo que contribuye mayormente a la formación de estas sustancias. En la etapa de transformación, es la producción y uso del metanol con una contribución de 88% el principal contribuyente para la generación de oxidantes fotoquímicos. La transesterificación de aceites para producir biodiesel se ha relacionado con emisiones de hidrocarburos, de los cuales el metano es capaz de reaccionar con radicales libre hidroxilo, oxígeno y óxidos de nitrógeno, para producir formaldehido y monóxido de carbono, compuestos denominados oxidantes fotoquímicos, que tiene la capacidad de afectar las propiedades de materiales orgánicos, la reproducción y el crecimiento de plantas y producir en el hombre y animales, dolor de cabeza y daños en el aparato digestivo [23].
En la categoría de impacto acidificación, también se presenta la mayor contribución por parte de la etapa de transformación de AVU (95%), específicamente por la producción y uso del metanol y en menor porcentaje en la etapa de limpieza por el uso de energía para calentamiento (79,4%). Según los resultados, en estas etapas se producen emisiones de dióxido de azufre (SO2). Este compuesto puede reaccionar con radicales libre hidroxilos y vapor de agua y convertirse en ácido sulfúrico que se disuelve en el agua de la atmosfera y puede transportarse hacia la superficie terrestre en forma de lluvia acida, llamada recientemente deposición ácida que produce la alteración de las características químicas del medio que la recibe, disminuyendo el pH y ocasionando efectos negativos sobre los ecosistemas asociados [24].
En las etapas de recolección de AVU y distribución de biodiesel se utilizó un único insumo representado por el combustible para los vehículos recolector y distribuidor respectivamente, por lo cual la contribución para cada categoría de impacto siempre fue del 100%. Según la comparación por etapas, la mayor contribución al impacto por la producción y uso de combustibles fósiles, se presenta en la categoría de impacto cambio climático. Se considera que el uso de combustibles fósiles es la principal causa del cambio climático, debido a que las actividades de suministro (extracción, transporte y distribución), utilización y quema de combustibles contribuyen en aproximadamente el 75% de este fenómeno.
Como es evidente en todas las categorías de impacto, la mayor contribución está dada por la etapa de transformación de AVU y de forma predominante en la categoría de formación de oxidantes fotoquímicos y en acidificación; esta carga ambiental se atribuye principalmente a la producción y uso del metanol en el proceso. Se ha atribuido a la industria química dedicada a la producción de metanol a gran escala la emisión de residuos conformados por cobre (síntesis), níquel (generación de gas) y cobalto y molibdeno (desulfurización) [25] y en algunos casos se han evidenciado residuos altamente contaminantes como el glifosato.
El resultado de rendimiento energético en el proceso de producción de biodiesel, está sobrevalorado dado que no se contabilizó la energía consumida para la síntesis de los insumos químicos consumidos en el proceso (metanol e, hidróxido de sodio). Sin embargo, dado que el AVU es un residuo, no se incluyó el consumo energético para su producción, debido a que este es un residuo sin carga ambiental ni energética asociada dentro de los límites del sistema. A pesar de la sobrevaloración mencionada, este valor de eficiencia energética encontrado para la producción de biodiesel a partir de ACV en cercano al encontrado en estudios similares realizados en procesos de producción de biodiésel, donde se encontró un valor de 3 [26].
4. Conclusiones
De acuerdo con los resultados es posible establecer que la etapa que genera mayor contribución al impacto ambiental es la transformación de AVU en biodiesel. En el caso de la categoría de cambio climático, la contribución a este impacto por parte de esta etapa es del 58%, representado por una emisión de 0,308 kg de CO2 equivalente.
El ACV permitió evidenciar los impactos ambientales relacionados con la producción de biodiesel a partir de AVU, aun cuando su uso evita el impacto generado por la inadecuada disposición del aceite usado. Los impactos ambientales están asociados principalmente a las cargas ambientales que trae la producción de los insumos.
Las etapas de recolección de AVU y distribución de biodiesel son las que reflejan la menor contribución del impacto ambiental al proceso.
El rendimiento energético del proceso es positivo, lo que pone de manifiesto la viabilidad del proceso puesto que convierte un residuo altamente contaminante en un materia prima con menores cargas ambientales para un proceso que va camino de convertirse en fundamental desde el punto de vista de demanda de energía para el transporte.
