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Carmen Lago, Yolanda Lechón Departamento de Energía
Unidad de Análisis de Sistemas Energéticos
2º Encuentro Red SUMAS
CUERNAVACA – MÉXICO
21-25 Noviembre 2016
Cambio climático.
Factores clave y
estrategias de mitigación
en agricultura.
Experiencia con cultivos
energéticos
Carmen Lago
CIEMAT- ASE
2
1. Cambio climático
2. Emisiones óxido nitroso
3. Cambio de uso indirecto de la tierra (iLUC)
4. Practicas agrícolas - Estrategias de mitigación
5- Uso energías renovables en regadío
Contenidos
Cambio climático
1. Satisfacer las necesidades del presente, fomentando una actividad económica que suministre los bienes necesarios a toda la población mundial
2. Satisfacer las necesidades del futuro,
reduciendo al mínimo los efectos
negativos de la actividad económica
Informe Brundtland
Comisión Mundial sobre Ambiente y Desarrollo (1987)
Dimensión
económica
Dimensión social
Dimensión
medioambiental
D.S.
Desarrollo sostenible
Fuente: IPCC. AR4. 2007
Common name
Chemical Formula
GWP 100-yr
Carbon dioxide CO2 1
Methane CH4 28
Nitrous oxide N2O 268
Fuente: IPCC. AR5. 2013
Cambio climático
Cambio climático
Evolución emisiones GEI a nivel mundial
Smith, P., D. Martino, Z. Cai, D. Gwary, H. Janzen, P. Kumar, B. McCarl, S. Ogle, F. O’Mara, C. Rice, B. Scholes, O. Sirotenko, 2007: Agriculture. In Climate Change 2007: Mitigation. Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [B. Metz, O.R. Davidson, P.R. Bosch, R. Dave, L.A. Meyer (eds)], Cambridge University
La biomasa, en sus vertiente de producción energética, sólo se podrá desarrollar si cumple, entre sus criterios de sostenibilidad, una reducción efectiva de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI)
Cultivos energéticos- Biomasa
* Biocarburantes
* Calor
* Electricidad
*Refrigeración
Cultivos energéticos
Biorefinerías
* Biocarburantes
* Calor
*Electricidad
* Bio-productos
• Químicos
• Farmaceúticos
• Cosmética
Beneficios medioambientales • Reducción emisiones GEIs
• Disminución contaminación atmosférica
• Reducción erosión (Cobertura suelo, agricultura conservación, etc)
• …
Beneficios socioeconómicos • Reducción dependencia exterior
• Diversificación energética
• Generación puestos trabajo
• Apoyo al desarrollo rural
• ……
1. Introducción
Cultivos energéticos: Fuente energía renovable
Emisiones de N2O
Suelos emiten N2O
• Suelos naturales
• Bosques
• Matorrales
• Pastizales
• Turberas
• Herbáceos
• Suelos agrícolas
• Barbechos
• Cultivos alimentarios y ganaderos
• Cultivos energéticos
• Herbáceos Leñosos
FACTORES CRÍTICOS: N2O
IPCC 2006
FACTORES CRÍTICOS: N2O
Fte. Vallejo, A. Charla Plan Difusión de Resultados. 2013
Fertilización Bacterias y hongos
FACTORES CRÍTICOS: N2O
Butterbach-Bahl et al, 2014
FACTORES CRÍTICOS: N2O
Nitrificación
• Aporte de fertilizante (ión amonio NH4)
• Contenido agua en poros intersticiales (55%-60%)
• Temperatura (27-30ºC)
Desnitrificación
• Aporte de fertilizante (ión nitrato NO3)
• Contenido agua en poros intersticiales (> 70%)
• Temperatura (27-30ºC)
• Aporte de C orgánico
FACTORES CRÍTICOS: N2O
Bowman, Boumans y Batjes, 2002 y actualización Stefhest
and Bowman, 2006.
Medidas reales campo.
F.e. - 0.91
Nemecek and Kägi, 2007. Emisiones directas e
indirectas
Ausley et al, 1997
UK-Suiza-Dinamarca-Holanda
Crutzen et al, 2008.
Emisiones mucho más elevadas. F. e -3-5%
IPCC 2006.
Directas e indirectas.
F. e.- 1%
Otras ….
METODOLOGÍAS DE CÁLCULO: N2O
• MÓDULO CÁLCULO EMISIONES N2O • Emisiones directas
• Aporte de N de los restos de las cosechas
• Emisiones indirectas procedentes de la volatilización
• Emisiones indirectas procedente de la lixiviación y la escorrentía
http://www.biograce.net/
http://www.idae.es/index.php/relcategoria.1037/id.686/relmenu.322/mod.pags/mem.detalle
CALCUGEI Y BIOGRACE
Emisiones GEI cultivos. Distribución por fases
Fte.- Lechón et al, 2011. CIEMAT-IDAE
Fte.- Lechón et al, 2011. CIEMAT-IDAE
Emisiones cultivos. Distribución por gases
Emisiones N2O al aire
Kg N/kg biomasa
NBc06 NBc07 NBc08 NBng08 SBc07 SBc08 Bowman et al, 2002 2.55E-04 3.75E-04 4.06E-04 2.65E-04 1.43E-04 3.07E-04
Audsley, 1997 1.13E-04 1.67E-04 1.80E-04 1.18E-04 6.35E-05 1.36E-04
IPCC 2006 4.98E-04 7.29E-04 7.88E-04 4.73E-03 2.74E-04 5.89E-04
Nemececk et Kägi, 2007 5.77E-04 8.60E-04 9.30E-04 5.80E-04 3.16E-04 7.13E-04
Brassica carinata y napus
PSE - OnCultivos
Metodologías calculo: N2O
Emisiones GEI cultivos energéticos
Emisiones GEI cultivos por gases
Fte.- Lago et al, 2012. CIEMAT
Suelos mediterráneos - singularidades
• Sequía estival
• Pulsos de emisiones en lluvias otoñales
• Patrón de emisiones de N2O diferente
Climas tropicales Climas templado húmedos
Metodologías calculo: N2O
Suelos españoles – Medidas en campo
Factor emisión
(%) CCAA Referencias
Trigo Secano 0.04 Andalucía Menéndez et al, 2008
Secano 0-18 País Vasco Ortuzar et al, 2006
Cebada Secano 0.11 Madrid Meijide et al, 2009
Regadío
Maíz Secano 0.79 Cataluña Teira-Esmatges,et al 2009. Dato usado por
Bowman et al 2002a.
Secano 1.80 mineral 1.98 orgánico
Galicia Louro et al, 2009
Regadío 1.27 Madrid Vallejo et al, 2002, Meijide et al, 2007,
López-Fdez et al, 2007
Girasol Secano
Regadío
Colza Secano 2.54 País Vasco Merino, 2010
Regadío
Cardo Secano
Regadío
Soja Secano 0.11 Andalucía Slemr et al, 1984. Dato usado por
Bowman et al, 2002a
Metodologías calculo: N2O
Fte.- Aguilera et al, 2013.
Suelos mediterráneos – meta-análisis
DeNitrification DeComposition
www.dndc.sr.unh.edu/ emission of NO, N 2O, N2, NH3 and CH4predicted gas fluxes predicted gas fluxes
NO
N2O
N2
emission of NO, N 2O, N2, NH3 and CH4predicted gas fluxes predicted gas fluxes
NO
N2O
N2
NO2-
Nitrat -
denitrifier
N2O -
denitrifier
Nitrit -
denitrifier
nitrifier
NO3-
NH3
clay-
minerals
N2O
NO NH3
denitrification nitrification
NO3-
DOC
exchange ofNO, N
2O, NO
3-
NH4+DOC
NO2-
Nitrat -
denitrifier
N2O -
denitrifier
Nitrit -
denitrifier
nitrifier
NO3-
NH3
clay-
minerals
N2O
NO NH3
denitrification nitrification
NO3-
DOC
exchange ofNO, N
2O, NO
3-
NH4+DOC
soil
moisture
profile
O2-profile
O2-diffusion
mean
annualtemperat.
daily
evapotrans-piration
evaporation transpira-
tion
water
movement
in the soil
Soil climate
soil
T-profileCO2
NH4+
DOC
non-degradable organic matter
very labile labile resistant
degradable organic matter
degradable microbial matter
very labile resistant
degradable humines
labile resistant
mineralisation
crop growth
water
demand
root
respiration
water
uptake
water
stressN-uptake
daily
growth
grain
wood
root
N-demand
LAI
depending
albedo
ecologicaldriver
soil vegetationclimateecological
driverhuman impact
Effect of temperature and moisture on mineralisation
predicted soil
environmental forces substrate (C, N ) temperature moisture pHanaerobic
balloon
DNDC-Model
methanogenesis
CH4-oxidation
CO2
methanotrophic bacteria
- diffusion
- gasbubbles
- plant tranpsort
methanogenic bacteria
CH4
DOC CO 2
Metodologías calculo: Modelos N2O
Global Nitrous Oxide Calculator - GNOC http://gnoc.jrc.ec.europa.eu/
Metodologías calculo: Modelos N2O
Productoras
1. Hojas como emisoras de N2O Difusión suelo
2. Suelos como sumideros de N2O (Schlesinger en 2013 - 2%)
Kroece et al en 2007
Nuevas teorías: N2O
• Aplicación de fertilizantes orgánicos. • Aplicación de carbón ecológico y zeolitas. • Mínimo laboreo y no laboreo. • Gestión integrada de los residuos de la fertilización. • Aplicación de residuos de los cultivos. • Uso de fertilizantes de liberación controlada. • Uso de inhibidores de la nitrificación. • Fitomejoramiento. • Elaboración de guías adaptadas a la especificidad de la granja o explotación agrícola para los agricultores de la zona. • Desarrollo de programas de formación dirigidos a pequeños agricultores y cooperativas agrarias.
Mitigación emisiones N2O
Indirect Land Use iLUC
Cambio de uso directo - dLUC
Se produce cuando se modifica el uso que se le da a un suelo.
Incluye los cambios que se van a producir en las reservas de C del suelo y las
emisiones asociadas. Ejemplo : bosque a cultivo ó cultivo a bosque
Se puede medir experimentalmente
Cambio de uso indirecto - iLUC
Se refiere al cambio provocado por razones mercantiles o políticas que no
pueden ser atribuido a las decisiones de gestión del uso del suelo por parte
de individuos.
Ej. El cultivo alimentario que se destina a la producción de biocarburantes puede inducir a la deforestación en cualquier
otra parte del planeta para reemplazar la antigua producción de alimentos.
No se puede medir directamente, sino a través de modelos
Definición iLUC
Definición iLUC
Demanda adicional de biocarburante y la
respuesta del mercado kg/a por país
Demanda de tierra adicional y
desplazamiento debido a biocarburantes
ha/a por país
Emisiones de GEI de la producción desplazada g CO2 eq/ ha·a
Influencia de la materia prima y procesado del
biocarburante g CO2 eq/MJ
• Modelos generales de equilibrio económico
• Modelos deterministas
Cálculo del área total necesaria para producir el producto
determinado
Derivación de la participación
proporcional de cada país
Realización de supuestos sobre el
cambio específico de cada país
Obtención de factor específico de
emisión de GEI por superficie y año
• Productos exportados • Países relevantes
Predicción de cambios en el mercado inducidos por medidas de política agrícola
Modelos cálculo iLUC
75% riesgo ILUC
50% riesgo ILUC
25% riesgo ILUC
Estudios iLUC
Estudios iLUC
Estudios ILUC
van Renssen 2011
Estudios iLUC
Estudios ILUC
Estudio iLUC en España
Fuente: CNE, 2013 (Datos año 2011)
Cultivos para biodiesel Cultivos para bioetanol
Estudio iLUC en España
Fuente: CNE, 2013 (Datos año 2011)
Origen materia prima biodiesel Origen materia prima bioetanol
Estudio iLUC en España
Emisiones iLUC biodiesel
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0961953415301823 Fuente: Garraín et al, 2016CNE, 2013 (Datos año 2011)
Emisiones iLUC bioetanol
Los resultados muestran mayores emisiones iLUC en el caso del bioetanol que en el del biodiesel. Igualmente el rango de variabilidad según la procedencia de la materia prima es más elevado en el caso del bioetanol que en el biodiesel.
Unión Europea iLUC
Propuesta Directiva iLUC 2015/1513 - 1ª generación biocarburantes
• Afectan a la primera generación, procedentes de cultivos alimentarios • Se incluyen a título informativo
• No computan en Inventarios Nacionales
Unión Europea - iLUC
Estado actual del arte
• Diferentes modelos - diferentes resultados
• Rango de variabilidad muy elevado entre
estudios
• Elevado grado de incertidumbre
Cálculo de iLUC
Mitigación cambio climático en cultivos energéticos
Mitigación en agricultura
Numerosos estudios muestran que existen diversas prácticas agrícolas que favorecen el secuestro de carbono en agricultura: • Barbechos • Uso de cultivos perennes • Agricultura ecológica • Mínimo laboreo • No laboreo • Enmiendas orgánicas
La FAO recomienda la agricultura de conservación para lograr una agricultura sostenible y rentable, sobre todo en países en vías de desarrollo y emergentes. Se basa en tres principios básicos: • Una perturbación mínima del suelo • Mantener una cobertura permanente del suelo • Realizar rotación de cultivos
Mitigación en cultivos energéticos Directiva 2009/28/CE de fomento del uso de energía procedente de energías renovables Metodología cálculo emisiones GEI biocarburantes.
Mitigación en cultivos energéticos
Mitigación laboreo reducido y no laboreo
El sistema de referencia es de inputs “medios” y laboreo convencional. El sistema actual aplica mínimo laboreo y no laboreo.
Los ahorros de emisiones en el laboreo reducido se sitúan entre el 10 y el 30% dependiendo del cultivo considerado. El no laboreo presenta mayores ahorros que fluctúan entre el 30 y el 85%. Los ahorros de emisiones son debidos a las labores menos intensivas del laboreo (8-18%) y principalmente a la acumulación de C en el suelo (82-92%) Por lo tanto, la agricultura de conservación ayuda a mitigar el cambio climático con reducciones significativas de GEI.
Reducción emisiones GEI en mínimo laboreo en secano.
Reducción emisiones GEI en mínimo laboreo en regadío
Mitigación reducción laboreo
Reducción emisiones GEI en no laboreo en secano.
Reducción emisiones GEI en no laboreo en regadío
Mitigación no laboreo
Mitigación fertilización orgánica
El sistema de referencia es de altos inputs sin fertilización orgánica (sólo aplicación de fertilización mineral) y arado convencional. El sistema actual aplica fertilización mineral y orgánica, con inputs medios y arado convencional..
La fertilización orgánica en sustitución de la fertilización mineral permite el ahorro de emisiones GEI por 3 vías:
1) Incrementando los stocks de C en el suelo 2) Reduciendo las emisiones de N2O de los suelos agrícolas 3) Evitando la fabricación del fertilizante mineral.
Hacen falta medidas experimentales en campo sobre el contenido de C orgánico en el suelo y las emisiones in situ de N20 de los suelos españoles para obtener el necesario conocimiento para poder aplicar estrategias para combatir el cambio climático.
Mitigación fertilización orgánica
Reducción emisiones GEI en régimen de secano para trigo, cebada, colza y girasol
Fte.- Lago, et al , 2015. Congreso REMEDIA.
Mitigación fertilización orgánica
Reducción emisiones GEI en régimen de regadío para trigo, cebada, colza y girasol
Mitigación por riego solar
Ahorro emisiones por riego solar
Nº Comarca Provinica
Superficie
(ha)
Productividad
(t/ha)
Riego
(m3/ha)
1 Campiña de Cádiz Cádiz 4.844 31.6 4481,9
2 Costa Noroeste de Cádiz Cádiz 843 32.6 5021,1
3 De la Janda Cádiz 1.569 31.6 4120,6
4 Campiña Baja Córdoba 4.987 30.6 4489,1
5 De la Vega Granada 2.537 30.7 4467,0
6 Condado Litoral Huelva 1.468 33.0 5184,5
7 Guadalorce Málaga 715 30.3 4229,6
8 La Campiña Sevilla 10.43 31.1 4749,9
9 La Vega Sevilla 4.045 31.4 4731,2
10 Marismas Sevilla 4.129 32.3 5111,3
Comarca Aguas
superficiales
Aguas
subterráneas
1 80,10 77,73
2 79,53 77,31
3 80,55 78,07
4 80,09 77,73
5 80,12 77,75
6 79,37 77,20
7 80,41 77,96
8 79,80 77,51
9 79,82 77,53
10 79,44 77,25
Cultivo sorgo en Andalucía
Comparativa de emisiones GEI de los sistemas de regadío y tipo de agua
(kg CO2eq/ha)
Mitigación por riego solar
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
Surface water Underground water
Irrigation
Inputs transport
Seed
Fuel consumption
Biocides production
N2O emissions
Fertilizer production
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
Surface water Underground water
Irrigation
Inputs transport
Seed
Fuel consumption
Biocides production
N2O emissions
Fertilizer production
Emisiones GEI de la fase agrícola con riego convencional (kg CO2eq/ha)
Emisiones GEI de la fase agrícola con riego solar (kg CO2eq/ha)
Los ahorros de emisiones GEI gracias a la introducción del riego solar son significativos. El riego solar disminuye las emisiones totales entre 296 y 591 kg CO2eq/ha, cantidades nada despreciables en el contexto actual de subida de temperaturas .
Mitigación por riego solar
Emisiones GEI del ciclo de vida con riego convencional (g CO2eq/MJ)
Emisiones GEI del cilo de vida con riego solar (g CO2eq/MJ)
County Suface water Underground water 1 14,19 19,07
2 14,76 19,93
3 13,58 18,19
4 14,55 19,51
5 14,46 19,39
6 14,96 20,23
7 14,06 18,82
8 14,83 19,94
9 14,53 19,56
10 14,98 20,24
Ahorro emisiones a lo largo del ciclo por riego solar
Mitigación por riego solar
Comparativa de emisiones GEI atendiendo al tipo de sistema de regadío y tipo de agua
(g CO2eq/MJbiomasa)
El uso del riego con energías renovables como la energía solar fotovoltaica supone una buena práctica de gestión en las zonas rurales ayudando a la disminución de la huella de carbono. Las regiones con elevada insolación a lo largo de todo el año, deberían favorecer la introducción del riego solar como estrategia de mitigación del cambio climático ayudando a la reducción de las emisiones de GEI. Fte: Lago et al. Proceedings 24th Biomass Conference and Exhibition (EUBCE)
Muchas gracias por vuestra
atención
Carmen Lago Rodríguez
CIEMAT – Departamento de Energía
Unidad Análisis de Sistemas Energéticos
Avda. Complutense, 40
28040 Madrid
Tel. 913466319
www.ciemat.es http://rdgroups.ciemat.es/web/ase
