Cultivo energético

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 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.

Mediante procedimientos biotecnológicos como la modificación genética, las plantas pueden manipularse para obtener mayores rendimientos. También es posible obtener rendimientos relativamente altos con las variedades existentes. Sin embargo, algunas ventajas adicionales, como la reducción de los costes asociados (es decir, los costes durante el proceso de fabricación) y el menor uso de agua, sólo se pueden lograr utilizando 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.

Cultivos enteros como el maíz, la hierba del Sudán, el mijo, el meliloto blanco y muchos otros pueden ensilarse y luego convertirse en biogás. 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 que ha experimentado un crecimiento más rápido ha sido el de los "cultivos de energía renovable" en casi 500.000 ha (1.200.000 acres) de tierra (2006). Los cultivos energéticos también pueden cultivarse para aumentar la producción de gas cuando 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 mediante ensilado en metano es de aproximadamente 2 GWh/km2 (1,8×10¹⁰ BTU/mi²) al año. Las pequeñas empresas de cultivos mixtos con animales pueden utilizar una parte de su superficie para cultivar y convertir 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. En América del Norte, se han pasado por alto casi por completo avances similares de integración de la agricultura y la producción de bioenergía mediante ensilado-metano, donde los problemas políticos y estructurales y un enorme y continuo impulso para centralizar la producción de energía han eclipsado los avances positivos.

La producción europea de biodiesel de los cultivos energéticos ha crecido constantemente en la última década, principalmente centrada en la colza utilizada para el petróleo y la energía. La producción de petróleo/biodiesel a partir de la violación cubre más de 12,000 km 2 solo en Alemania, y se ha duplicado en los últimos 15 años. El rendimiento típico de aceite como biodiesel puro es de 100,000 l/km 2 (68,000 galones de EE. UU./MI SQ; 57,000 imp Gal/Sq MI) o más, lo que hace que los cultivos de biodiesel sean económicamente atractivos, siempre que se usen rotaciones de cultivos sostenibles que están equilibrados por nutrientes y previenen la propagación de enfermedades como Clubroot. El rendimiento del biodiesel de la soja es significativamente menor que el de la violación.

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 gran preocupación por el bioetanol celulósico, ya que en muchas regiones no existe una estructura agrícola que respalde el biometano y no existe un sistema de créditos o bonificaciones. En consecuencia, se depositan grandes cantidades de dinero privado y esperanzas de inversores 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.

El pasto varilla (panicum virgatum) es otro cultivo energético. Requiere de 0,97 a 1,34 GJ de energía fósil para producir una tonelada de pasto varilla, en comparación con los 1,99 a 2,66 GJ necesarios para producir una tonelada de maíz. 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.

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. 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 reemplazos para combustibles fósiles. Por lo tanto, comprender la sostenibilidad de este recurso renovable es muy importante. Existen muchos beneficios asociados con el uso de biocombustibles, como emisiones reducidas de gases de efecto invernadero, menor costo que los combustibles fósiles, la renovabilidad, etc. Estos cultivos de energía se pueden usar para generar electricidad. Se ha demostrado que la celulosa de madera y el biocombustible junto con la generación estacionaria de electricidad son muy eficientes. De 2008 a 2013, ha habido un aumento del 109% en la producción mundial de biocombustibles y se espera que esto aumente un 60% adicional para satisfacer nuestras demandas (según la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE)/Organización de la Agricultura y Agricultura. (FAO)).

El aumento proyectado en el uso/necesidad de cultivos de energía provoca la cuestión de si este recurso es sostenible. El aumento de la producción de biocombustibles se basa en problemas relacionados con los cambios en el uso de la tierra, los impactos en el ecosistema (recursos del suelo y del agua), y se suma a la competencia del espacio de la tierra para usar para cultivar cultivos energéticos, alimentos o cultivos de alimentación. Las plantas más adecuadas para futuras materias primas de bioenergía deben estar creciendo rápidamente, un alto rendimiento y requieren muy pocos aportes de energía para el crecimiento y la cosecha, etc. El uso de cultivos de energía para la producción de energía puede ser beneficioso debido a su neutralidad de carbono. Representa una alternativa más barata a los combustibles fósiles, mientras que es extremadamente diversa en las especies de plantas que pueden usarse para la producción de energía. Pero los problemas relacionados con el costo (más caros que otras fuentes de energía renovable), la eficiencia y el espacio necesarios para mantener la producción deben considerarse y mejorarse para permitir que el uso de biocombustibles se adopte comúnmente.

Durante el crecimiento de la planta, las plantas absorben Co ₂ . Mientras que los soportes del bosque regular tienen tiempos de rotación de carbono que abarcan muchas décadas, los soportes forestales de rotación corta (SRF) tienen un tiempo de rotación de 8 a 20 años, y la rotación corta (SRC) es de 2 a 4 años. Los pastos perennes como Miscanthus o Napier Grass tienen un tiempo de rotación de 4 a 12 meses. Además de absorber CO ₂ en su tejido sobre el suelo, los cultivos de biomasa también secuestran carbono debajo del suelo, en las raíces y el suelo. Por lo general, los cultivos perennes secuestran más carbono que los cultivos anuales porque la acumulación de raíz puede continuar sin ser molestada durante muchos años. Además, los cultivos perennes evitan los procedimientos de labranza anual (arado, excavación) asociados con el crecimiento de cultivos anuales. Tilling ayuda a las poblaciones de microbios del suelo a descomponer el carbono disponible, produciendo Co ₂ .

que carbono orgánico del suelo es mayor por debajo de los cultivos de hierba de cambio que en tierras de cultivo cultivadas, especialmente a profundidades inferiores a 30 cm (12 pulgadas).

La cantidad de carbono secuestrado y la cantidad de gases de efecto invernadero (GEI) emitidos determinará si el costo total del ciclo de vida de GEI de un proyecto de bioenergía es positivo, neutral o negativo. Específicamente, es posible un ciclo de vida de GEI/carbono negativo si la acumulación total de carbono debajo del suelo se compensa más que las emisiones de GEI de ciclo de vida total por encima del suelo.

Por ejemplo, para Miscanthus × Giganteus , la neutralidad de carbono e incluso la negatividad están al alcance. Esto significa que el rendimiento y el secuestro de carbono relacionado es tan grande que representa más que el total de emisiones de operaciones agrícolas, emisiones de conversión de combustible y emisiones de transporte. El secuestro exitoso depende de los sitios de siembra, ya que los mejores suelos para el secuestro son aquellos que actualmente son deficientes en carbono.

Para el Reino Unido, se espera un secuestro exitoso para la tierra cultivable en la mayor parte de Inglaterra y Gales, con un secuestro fallido esperado en partes de Escocia, debido a suelos ya ricos en carbono (bosque existente). Además, para Escocia, los rendimientos relativamente más bajos en este clima más frío hacen que la negatividad sea más fría. Los suelos ya ricos en carbono incluyen turberas y bosques maduros. Los pastizales también pueden ser ricos en carbono, y se ha encontrado que el secuestro de carbono más exitoso en el Reino Unido tiene lugar debajo de los pastizales mejorados.

• GA Mansoori, N Enayati, LB Agyarko (2016), Energy: Sources, Utilization, Legislation, Sustainability, Illinois as Model State, World Sci. Pub. Co., ISBN 978-981-4704-00-7
• Cultivos de energía para combustible
• Cultivos energéticos en el Centro de Energía de Biomasa
• Center for Sustainable Energy Farming