Análisis de ciclo de vida de una planta de digestión anaerobia a partir de nopal para la generación de 1 MW de electricidad

Abstract

RESUMEN: En el presente estudio se determinaron los impactos ambientales de una planta industrial de co-digestión de nopal y estiércol bovino para la producción de electricidad en México mediante la metodología análisis de ciclo de vida. Se utilizó la unidad funcional de 770 kWh de energía eléctrica producida, el software EASTECH 2.4.5 y la metodología de impacto ReCiPe. Las fronteras del sistema incluyeron el cultivo, la cosecha y transporte de nopal; transporte y almacenamiento de estiércol de vaca; trituración, homogenización; digestión anaerobia; tratamiento de digestato; y, la generación de electricidad. Se determinó la entrada de 24 tbh/d de nopal y 0.62 tbh/d de estiércol para la producción de 430 m3 de biogás con un contenido de 47.8 % de metano, lo cual genera 770 kWh/d de electricidad. El consumo eléctrico por funcionamiento de la planta corresponde a 11.98 kWh/d y el consumo de combustibles fósiles por transporte fue de 565.80 kWh/d, teniendo una producción neta de 192.22 kWh/d de energía. Se consideraron ocho indicadores para la evaluación del perfil ambiental: cambio climático, acidificación terrestre, eutrofización en agua dulce, eutrofización en agua marina, formación de oxidante fotoquímico, toxicidad humana, ecotoxicidad de agua duce y ecotoxicidad marina, obteniéndose los siguientes resultados, -242.80 kg CO2-eq, -1.32 kg SO2-eq, -0.026 kg P-eq, 0.014 kg N-eq, 0.21 kg NMVOC, -25.54 kg 1,4-DB-eq, -0.66 kg 1,4 DB-eq y -0.425 kg 1,4 DB-eq, respectivamente. La etapa de transporte de nopal se identificó como la principal carga ambiental en el sistema, principalmente por el elevado consumo de diésel durante la cosecha, afectando en mayor medida las categorías de cambio climático, acidificación terrestre, eutrofización marina y formación de oxidante fotoquímico. Adicionalmente, el triturador se identificó como un punto crítico por su alto consumo de electricidad proveniente de la mezcla nacional, en su mayoría de fuentes de energía fósiles. El triturador afectó principalmente las categorías de eutrofización de agua dulce y ecotoxicidad de agua dulce. De manera general, el impacto ambiental de la generación de electricidad a partir de la digestión anaerobia de nopal en el caso de estudio fue menor a la producción convencional de electricidad en México al presentar impactos favorables en 6 de las 8 categorías de impacto evaluados, consecuencia de una mayor sustitución de electricidad proveniente de combustibles fósiles por electricidad de energías renovables, Se obtuvieron valores de productividad de 0.28 m3CH4/(m3digestor*d) y rendimiento de 265 m3biogás/tSV los cuales se encuentran cercanos al límite inferior de los valores reportados en la literatura por lo que la etapa de la digestión anaerobia presenta oportunidades de mejora y al hacer más eficiente dicha etapa se disminuiría aún más los impactos de los indicadores evaluados. ABSTRACT: In the present study the environmental impacts of an industrial plant of codigestion of nopal and cow slurry for the production of electricity in Mexico were evaluated through life cycle assessment methodology. The study used a functional unit of 770 kWh of electricity produced, the EASETECH 2.4.5 software and the ReCiPe methodology. The system boundaries included cultivation, harvest and transport of nopal; transport and storage of cow slurry; shredding and homogenization; anaerobic digestion; digestate treatment; and, the generation of electricity. The input of 24 thb/d of nopal and 0.62 thb/d of cow slurry was determined for the production of 430 m3 of biogas with a 47.8% of methane content, which generates 770 kWh/d of electricity. The electrical consumption due to operation of the plant corresponds to 11.98 kWh/d and the consumption of fossil fuels for transportation is of 565.80 kWh/d, having a net production of 192.22 kWh/d of energy. Eight indicators were considered to evaluate the environmental profile: climate change, terrestrial acidification, freshwater eutrophication, marine eutrophication, photochemical oxidant, human toxicity, freshwater ecotoxicity and marine ecotoxicity, resulting in -242.80 kg CO2-eq, -1.32 kg SO2-eq, -0.026 kg P-eq, 0.014 kg N-eq, 0.21 kg NMVOC, -25.54 kg 1,4-DB-eq, -0.66 kg 1,4 DB-eq y -0.425 kg 1,4 DB-eq, respectively. The nopal transport stage was identified as the main environmental load in the system, principally for the consumption of diesel during the harvest, affecting to a greater extent the categories of climate change, terrestrial acidification, marine eutrophication and formation of photochemical oxidant. Additionally, the shredder was identified as a hotspot due to its high consumption of electricity from the national mix, mostly of fossil energy sources. The shredder mainly affected the categories of freshwater eutrophication and freshwater ecotoxicity. In general, the environmental impact of the generation of electricity from the anaerobic digestion of nopal in the case study was lower than the conventional production of electricity in Mexico by presenting environmental savings in 6 of the 8 impact categories evaluated, consequence of a greater substitution of electricity from fossil fuels for electricity from renewable energies. The productivity of the digestor was 0.28 m3CH4 /(m3digestor*d) and a yield value of 265 m3biogas/tVS was obtained, which are both close to the lower limit of the values reported in the literature, therefore improving the performance of the anaerobic digestion stage would further reduce the impacts of the indicators, as a result of a greater substitution of electricity derived from fossil fuels.