ANLISIS INTEGRADO DE LAS TECNOLOGAS, EL CICLO DE VIDA Y LA SUSTENTABILIDAD DE LAS OPCIONES Y ESCENARIOS PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA BIOENERGA EN MXICO

Reporte Final

Octubre 2008

INDICE ACTIVIDAD 1. DEFINICIN DE LOS CRITERIOS A EVALUAR ........................................................ 8 ACTIVIDAD 3. ANLISIS DEL POTENCIAL PARA LA BIOENERGA EN MXICO...................... 8 DISPONIBILIDAD DE BIOMASA PARA ENERGA EN MXICO ............................................................................. 9 POTENCIAL TCNICO DE CULTIVOS ENERGTICOS. ....................................................................................... 11 Indicadores agro-edafo-climticos. ........................................................................................................ 11 Condiciones para el establecimiento de cultivos .................................................................................... 12 OBTENCIN DE RENDIMIENTOS .................................................................................................................... 12 Balance hdrico....................................................................................................................................... 12 Limitaciones edafolgicas ...................................................................................................................... 14 MAPAS ESPACIALES DEL POTENCIAL TCNICO DE CADA CULTIVO ................................................................ 15 Bioetanol................................................................................................................................................. 16Caa de azcar .................................................................................................................................................... 16 Sorgo grano ......................................................................................................................................................... 16 Maz .................................................................................................................................................................... 16

Biodiesel ................................................................................................................................................. 17Palma de Aceite................................................................................................................................................... 17 Jatropha ............................................................................................................................................................... 17

RESULTADOS ................................................................................................................................................ 24 CONCLUSIONES ............................................................................................................................................ 25 ACTIVIDAD 4. IDENTIFICACIN DE LAS ALTERNATIVAS TECNOLGICAS CLAVE PARA EL USO DE LA BIOENERGA, BAJO DISTINTOS ESCENARIOS DE PENETRACIN................. 26 MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCIN DE BIOCOMBUSTIBLES LQUIDOS. .............................................. 26 BIOETANOL .................................................................................................................................................. 28 Alternativas tecnolgicas........................................................................................................................ 28 Recursos ricos en azcares..................................................................................................................... 29Produccin de etanol directo del jugo de caa .................................................................................................... 30 Produccin de etanol de melazas ricas o miel B.................................................................................................. 31 Produccin de etanol de melazas pobres o miel C............................................................................................... 33 Costos de produccin .......................................................................................................................................... 34 Costos de produccin de etanol de caa de azcar......................................................................................... 34 Costos de materia prima ........................................................................................................................... 35 Costos de procesamiento .......................................................................................................................... 35 Costos de operacin y mantenimiento ...................................................................................................... 36 Costos totales............................................................................................................................................ 36 Produccin de etanol a partir de sorgo dulce....................................................................................................... 36 Costos de produccin de etanol de sorgo dulce.............................................................................................. 37

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Recursos ricos en almidones................................................................................................................... 38Produccin de bioetanol a partir de sorgo grano ................................................................................................. 38 Costos de materia prima ........................................................................................................................... 39

Recursos ricos en celulosa...................................................................................................................... 39Produccin de bioetanol a partir de materias primas de segunda generacin (materiales lignocelulsicos)........ 40

Alternativas tecnolgicas........................................................................................................................ 40 BIODIESEL .................................................................................................................................................... 42 Alternativas tecnolgicas........................................................................................................................ 42Especificaciones del biodiesel............................................................................................................................. 43 Produccin de biodiesel a partir de Jatropha curcas........................................................................................... 44 Extraccin de aceite de Jatropha .................................................................................................................... 44 Subproductos de jatropha curcas.................................................................................................................... 46 Costos de materia prima. .......................................................................................................................... 48 Produccin de biodiesel a partir de palma de aceite ............................................................................................ 49 Extraccin de aceite de palma........................................................................................................................ 49 Rendimiento de aceite de palma..................................................................................................................... 51 Costos de materia prima. .......................................................................................................................... 52

ESCENARIOS DE PENETRACIN DE BIOCOMBUSTIBLES LQUIDOS .................................................................. 53 PROYECTOS DE BIOCOMBUSTIBLES EN MXICO ........................................................................................... 55 Plantas de bioetanol ............................................................................................................................... 55 Plantas de biodiesel ................................................................................................................................ 56 CONCLUSIONES ............................................................................................................................................ 57 ACTIVIDAD 5. ANLISIS DE EMISIONES DE GEI PARA LAS ALTERNATIVAS TECNOLGICAS CLAVE Y ESCENARIOS DE PENETRACIN ....................................................... 58 VENTAJAS AMBIENTALES DE USAR BIOCOMBUSTIBLES PARA EL TRANSPORTE EN MXICO .......................... 58 EFECTO DEL BIODIESEL EN LA EMISIN DE GASES DE EFECTO INVERNADERO (GEI) Y EN LA ESTABILIDADCLIMTICA ................................................................................................................................................... 59

ESCENARIOS DE MITIGACIN DE CARBONO................................................................................................... 60 CONCLUSIONES ............................................................................................................................................ 61 ACTIVIDAD 6. ANLISIS DE LA FACTIBILIDAD DE LA IMPLEMENTACIN DE ESTAS TECNOLOGAS. ........................................................................................................................................... 62 ANLISIS DE FACTIBILIDAD PARA PRODUCCIN DE BIOETANOL DE CAA DE AZCAR.................................. 62 Costos de paridad o indiferencia del etanol ante subproductos de caa de azcar y gasolinas. ........... 62 Demanda de etanol bajo tres escenarios de introduccin ...................................................................... 63 Inversin industrial y superficie de cultivo requerida. ........................................................................... 64 BARRERAS Y OPORTUNIDADES PARA LA PRODUCCIN DE BIOETANOL.......................................................... 65 ANLISIS DE FACTIBILIDAD PARA PRODUCCIN DE BIODIESEL ..................................................................... 66

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Anlisis de factibilidad tcnica ............................................................................................................... 66 Anlisis de tecnologas ........................................................................................................................... 67 BARRERAS Y OPORTUNIDADES PARA LA PRODUCCIN DE BIODIESEL. .......................................................... 71 ACTIVIDAD 7. ESTIMACIN DE LOS IMPACTOS EN EL NDICE ENERGTICO Y POTENCIAL DE MITIGACIN POR LA IMPLEMENTACIN DE BIOCOMBUSTIBLES LQUIDOS...................................................................................................................................................... 73 NDICE ENERGTICO ..................................................................................................................................... 76 Caso particular del Etanol...................................................................................................................... 78 Caso particular del biodiesel.................................................................................................................. 80 EMISIONES DE GEI. ...................................................................................................................................... 81 Metodologa para determinar la reduccin de GEI................................................................................ 85 ACTIVIDAD 8. CRITERIOS DE SUSTENTABILIDAD PARA LA PRODUCCIN Y USO DE BIOCOMBUSTIBLES................................................................................................................................... 87 ANLISIS COMPARATIVO DE LOS PRINCIPIOS Y CRITERIOS DE SUSTENTABILIDAD PROPUESTOS A NIVELINTERNACIONAL ........................................................................................................................................... 87

PROPUESTA DE CRITERIOS PARA MXICO..................................................................................................... 92 REFERENCIAS ............................................................................................................................................. 95

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Lista de Tablas Tabla 1. Clasificacin de los recursos biomsicos segn su origen ....................................... 9 Tabla 2. Criterios utilizados para el establecimiento de cultivos. ........................................ 12 Tabla 3. Criterios para la asignacin de rangos de produccin para cada cultivo................ 13 Tabla 4. Potencial de produccin de acuerdo a las propiedades del suelo por tipo de cultivo. ...................................................................................................................................... 14 Tabla 5. Produccin potencial tcnica de las fuentes de biomasa en Mxico. ..................... 24 Tabla 6. Fuentes de materia prima para obtencin de bioetanol .......................................... 29 Tabla 7. Balance de insumos y productos para la produccin de bioetanol directo a partir de jugo de caa. ................................................................................................................. 31 Tabla 8. Balance de insumos y productos para la produccin de bioetanol a partir de melazas ricas................................................................................................................. 33 Tabla 9. Balance de insumos y productos para la produccin de bioetanol a partir de melazas pobres.............................................................................................................. 34 Tabla 10. Costos de produccin de caa en dos regiones caeras de Mxico ..................... 35 Tabla 11. Inversin en plantas productoras de etanol .......................................................... 36 Tabla 12. Composicin de los costos de produccin de etanol (US$/litro) (SENER-IDBGTZ) ............................................................................................................................. 36 Tabla 13. Costos de produccin de sorgo dulce en dos regiones de Mxico ....................... 37 Tabla 14. Inversin en plantas productoras de Etanol.......................................................... 37 Tabla 15. Composicin de los costos de produccin de etanol (US$/litro) (SENER-IDBGTZ) ............................................................................................................................. 38 Tabla 16. Costos de produccin de sorgo grano en Tamaulipas. ......................................... 39 Tabla 17. Composicin qumica de materiales lignocelulsicos.......................................... 40 Tabla 18. Contenido de FFA en materias primas para biodiesel.......................................... 43 Tabla 19. Estndares de calidad de biodiesel ....................................................................... 44 Tabla 20. Rendimientos de extraccin ................................................................................. 45 Tabla 21. Rendimientos estimados de subproductos de Jatropha curcas............................ 48 Tabla 22. Composicin de los costos para establecimiento de cultivo de Jatropha Curcas . 49 Tabla 23. Costo de produccin de CPO en Malasia en 1993 ............................................... 52 Tabla 24. Costo para establecimiento y mantenimiento de palma por hectrea................... 53 Tabla 25. Escenarios de penetracin para bioetanol a partir de caa de azcar................... 54 Tabla 26. Escenarios de penetracin para bioetanol a partir de sorgo grano ....................... 54 Tabla 27 Escenarios de penetracin para biodiesel de Jatropha curcas. ............................. 55 Tabla 28. Escenarios de penetracin para biodiesel a partir de aceite de palma.................. 55 Tabla 29. Distribucin de la flota vehicular 2002. ............................................................... 58 Tabla 30. Inversin industrial total....................................................................................... 64 Tabla 31. Superficie de cultivo requerida............................................................................. 64 Tabla 32. Barreras y Acciones para la implementacin de la produccin de bioetanol en Mxico.......................................................................................................................... 66 Tabla 33. Anlisis de tecnologas de produccin de biodiesel ............................................. 67 Tabla 34. Datos de capacidad e inversin de plantas de biodiesel ....................................... 69 Tabla 35.- Inversin total (promedio)................................................................................... 70 Tabla 36. Barreras y Acciones para la implementacin de la produccin de biocombustibles en Mxico ......................................................................................... 72 Tabla 37 Coeficientes energticos de diesel de petrleo y biodiesel. .................................. 81

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Tabla 38. Anlisis de los principios y criterios de sustentabilidad propuestos por diversas instituciones .................................................................................................................. 90 Tabla 39. reas clave de inters y principios de sustentabilidad que las representan ......... 91 Tabla 40. Principios y criterios de sustentabilidad a nivel nacional propuestos por la REMBIO....................................................................................................................... 92 Tabla 41. Criterios de sustentabilidad para la produccin de biocombustibles en Mxico.. 94

Lista de Figuras Figura 1. Potencial bioenergtico en Mxico, se muestra el porcentaje de potencial energtico por categora. a) Resultados de la Bioenerga en Mxico 2005. b) Resultados Medec 2008................................................................................................ 10 Figura 2. SIG establecido para cartografiar el potencial tcnico de cada cultivo ................ 15 Figura 3. Materias primas utilizadas para la produccin de biocombustibles lquidos........ 27 Figura 4. Diagrama de bloques del proceso de produccin de bioetanol a partir de caa de azcar............................................................................................................................ 30 Figura 5. Flujos en la produccin de etanol a partir de melazas ricas o miel B. .................. 32 Figura 6. Diagrama de flujo para la produccin combinada de azcar y bioetanol ............. 32 Figura 7. Flujos en la produccin de etanol a partir de melazas pobres o miel C. ............... 33 Figura 8. Diagrama para evaluacin de costos. .................................................................... 34 Figura 9. Proceso de produccin de bioetanol a partir de sorgo grano, molienda en seco... 38 Figura 10. Productos derivados de la destilacin de sorgo grano. ....................................... 39 Figura 11. Diagrama de proceso para produccin de bioetanol a partir de materias primas de segunda generacin.................................................................................................. 41 Figura 12. Proceso de refinamiento del biodiesel................................................................. 46 Figura 13. Subproductos generados en el procesamiento de Jatropha curcas..................... 47 Figura 14. Porcentajes de subproductos del proceso de produccin de aceite de jatropha curcas ........................................................................................................................... 48 Figura 15. Diagrama de flujo, de un esquema bsico de para la extraccin de aceite. ........ 51 Figura 16. Escenarios de penetracin de nuevas superficies y produccin de energa para caa de azcar............................................................................................................... 54 Figura 17. Escenarios de penetracin de nuevas superficies y produccin de energa para sorgo grano. .................................................................................................................. 54 Figura 18. Impacto de las emisiones de biodiesel en mquinas de combustin interna....... 60 Figura 19. Toneladas de CO2 desplazada por el uso de biocombustibles............................ 61 Figura 20. Diagrama de flujo de planta agrcola (Concepto I)............................................. 68 Figura 21. Diagrama de flujo de planta industrial (Concepto II) ......................................... 68 Figura 22. Diagrama de flujo de planta industrial (Concepto III) ........................................ 69 Figura 23. Costos de produccin de biodiesel por materia prima ........................................ 70 Figura 24. Cadena de produccin de las biocombustibles lquidos...................................... 75 Figura 25. Balances estimados de energa fsil de determinados tipos de combustible. Fuente: FAO, 2008 ....................................................................................................... 77 6

Figura 26.a. Energa neta y GEI neto para gasolina, seis estudios y tres casos. 7b. Energa neta y entrada de petrleo para los mismos.................................................................. 79 Figura 27. Evaluacin de la produccin del etanol desde procesos diferentes basado en el uso de de energa primaria (MJ) por MJ de combustible y emisiones netas de GEI (kgCO2-eq) por MJ de combustible.............................................................................. 80 Figura 28. Reduccin en las emisiones de gases de efecto invernadero de determinados biocombustibles en comparacin con los combustibles fsiles.................................... 82 Figura 29. Emisiones de GEI por la produccin y utilizacin de biocombustibles.............. 82 Figura 30. Etapas de procesos comparados de biocombustible y combustible fsil............ 83 Figura 31. Consumo de energa primaria en la produccin de biodiesel de Jatropha c. con diferentes niveles de insumos ....................................................................................... 84 Figura 32. Emisiones de GEI en la produccin de biodiesel de Jatropha c. con diferentes niveles de insumos........................................................................................................ 84 Figura 33. Comparacin del sistema de referencia con valores conservadores propuestos para biocombustibles con los sistemas de referencia o los ahorros mnimos en emisiones de GEI de 30% o 40%. ................................................................................ 86

Lista de Mapas

Mapa 1. Mapa del potencial tcnico de caa de azcar........................................................ 18 Mapa 2. Mapa del potencial tcnico de sorgo grano ............................................................ 19 Mapa 3. Produccin de Maz 2006, por municipio .............................................................. 20 Mapa 4. Mapa del potencial tcnico de maz ....................................................................... 21 Mapa 5. Mapa del potencial tcnico de palma de aceite ...................................................... 22 Mapa 6. Mapa del potencial tcnico de jatropha curcas...................................................... 23

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Actividad 1. Definicin de los criterios a evaluarEl sector energtico tiene un papel decisivo en el desarrollo de Mxico, ya que en l se sustenta en gran medida su desarrollo econmico y social, y abarca desde la generacin de electricidad e hidrocarburos como insumos para la economa y la prestacin de servicios pblicos, dando empleo a ms de 300,000 trabajadores. La comercializacin de hidrocarburos en el plano internacional es un factor determinante para la generacin de divisas y de importantes contribuciones fiscales para el gobierno federal. Sin embargo, el panorama energtico mundial actualmente se encuentra enmarcado en una grave crisis de disponibilidad y abasto de combustibles fsiles a los diferentes sectores productivos. Ante este escenario varios pases han desarrollado tecnologas para el aprovechamiento de las fuentes renovables de energa las cuales permitan enfrentar dos enormes problemas derivados del uso de los energticos mundiales. En este contexto, las energas renovables y en particular los biocombustibles, juegan un papel protagonista por su insercin directa en el aparato productivo nacional. De acuerdo a la Red Mexicana de Bioenerga, actualmente la bioenerga representa el 8% de la energa primaria total en Mxico, sin embargo, la misma red estima un potencial bioenergtico que podra representar el 60% de la demanda final del consumo actual. Tambin se hace necesario normar los procesos y evaluar el ciclo de vida de los recursos por su relacin con la sostenibilidad ambiental social y econmica. Por lo que en este reporte se presenta un anlisis del potencial bioenergtico en Mxico, asi como una identificacin de las alternativas tecnolgicas clave, sus ciclos de vida y su potencial de mitigacin.

Actividad 3. Anlisis del potencial para la bioenerga en MxicoActualmente la bioenerga es una de las fuentes de mayor potencial para facilitar la transicin energtica a los recursos renovables. En Mxico representa el 8% de la demanda de energa primaria. La principal materia prima es la lea para uso residencial y en pequeas industrias, as como el bagazo de caa en ingenios. En Mxico no ha existido una poltica de apoyo e incentivos a la biomasa como fuente de energa. Depende principalmente de iniciativas individuales de investigadores y

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organizaciones. Actualmente se ha aprobado una iniciativa por parte del gobierno para promover el uso de biocombustibles lquidos (iniciativa de ley de desarrollo y promocin de bionergticos-SAGARPA). Sin embargo an se observa: Gran desconocimiento del potencial de los recursos bioenergticos en el pas. Ausencia de mecanismos especficos de financiamiento para investigacin y desarrollo en Bioenerga. Pobre desarrollo tecnolgico en reas de frontera como la produccin de combustibles lquidos o gasificacin de biomasa. Por otro lado se sabe que la produccin sustentable de los biocombustibles contribuye a la mitigacin del cambio climtico, ya que pueden ser muy bajos en emisiones de CO2 y son sustitutos de combustibles fsiles. Adems de que se pueden brindar otros servicios ambientales, ya que ciertos cultivos pueden desarrollarse en tierras degradadas logrando mejorar la calidad y fertilidad del suelo y evitando la erosin del mismo. Por todo lo anterior es importante conocer todos aquellos esfuerzos orientados a estimar las existencias reales de los recursos bioenergticos y su potencial de produccin a escala nacional.

Disponibilidad de biomasa para energa en MxicoSiguiendo la terminologa unificada sobre bioenerga (UBT) de la FAO (FAO, 2004) los biocombustibles se agrupan, por su origen en tres fuentes: 1) Combustibles de madera; 2) Agrocombustibles; y 3) Subproductos de origen Municipal (Tabla 1).Tabla 1. Clasificacin de los recursos biomsicos segn su origen Categora UBT Tipo Origen o fuente de Biomasa Cobertura natural (Bosques, Selvas y Matorrales) Plantaciones forestales Indirecto 2. Agrocombustibles Subproductos agrcolas Subproductos pecuarios Eucaliptus sp Subproductos de origen forestal e industria maderera Hojas y puntas para caa de azcar y para otros cultivos rastrojo. Excretas

1. Combustibles de Madera Directo

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Subproductos agroindustriales Cultivos energticos

Bagazo para caa de azcar. Cscaras, y granos. Cultivos para bioetanol como maz, sorgo, caa de azcar. Cultivos para biodiesel como girasol, palma de aceite, jatropha.

4. Subproductos de Origen Basura municipal Municipal

Basura municipal

El trabajo de Masera et al 2005; resume el potencial energtico de la biomasa de acuerdo a las principales fuentes de bioenerga y se muestra que del total de la produccin tcnica potencial son los combustibles de madera los que tienen un mayor alcance con un promedio de 1800 PJ/ao (56%). La misma tendencia se muestra en el estudio financiado por el Banco Mundial sobre la disminucin de emisiones de carbono en Mxico -Medec (2008) (Figura 1). Donde el potencial tcnico total alcanza los 3,570 PJ/ao, y los combustibles de madera alcanzan un 54% del potencial energtico total, especficamente la lea proveniente de bosques naturales y que se encuentra a disposicin de manera directa.

S A-I 6%

SP 4%

CE 8%

SOM 1% SP 1% S A-I 15%

CE 20%

SOM 1%

SA 25%

BN 41% SA 9%

BN 42%

a)

SF 2%

PF 13%

b)Agrocombustibles

SF 2%

PF 10%

Combustibles de madera

Subproductos origen municipal

Figura 1. Potencial bioenergtico en Mxico, se muestra el porcentaje de potencial energtico por categora. a) Resultados de la Bioenerga en Mxico 2005. b) Resultados Medec 2008.*B N Bosques naturales, P F Plantaciones forestales, S F Subproductos forestales, S A Subproductos Agrcolas, S A-I Subproductos agro-industriales, S P Subproductos pecuarios, C E Cultivos energticos y S O M Subproductos origen municipal.

El potencial tcnico representa el 60% de la oferta interna bruta de energa primaria en Mxico. Sin embargo el uso actual de la bioenerga en Mxico es mucho menor, siendo la produccin de calor por combustin directa la principal utilizacin de la biomasa, para uso residencial, seguida de los subproductos forestales como la corteza y el aserrn de aserraderos y del bagazo de caa en las industrias.

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Potencial tcnico de cultivos energticos.Para determinar el potencial tcnico de los cultivos energticos se trato de seguir el principio de integridad ambiental y equidad social, es decir evitar la competencia con la produccin de alimentos y/o el desabasto de los mismos, tambin se debe evitar la deforestacin para el establecimiento de cultivos; por lo que se propone utilizar reas especificas para cultivo de pastizales o en zonas con problemas de calidad de suelo o degradacin de los mismos.

Indicadores agro-edafo-climticos.Se sabe que el establecimiento, crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos se encuentra relacionado con variables climticas como la precipitacin, temperatura, humedad, riesgos de heladas, tipo y condiciones de suelo y otros indicadores como la altitud. Por lo que se sintetizaron algunos de estos requerimientos para los siguientes cultivos: caa de azcar (Saccharum officinarum), sorgo (Sorghum bicolor), jatropha curcas, palma de aceite (Elaeis guineensis) y maz (Zea mayz) (Ver Tabla 2). Para la obtencin de los ptimos de produccin para cada cultivo se utilizaron las propiedades del suelo y se calcul el balance hdrico. Y finalmente se excluyeron del anlisis todas aquellas tierras que a) actualmente se utilizan para la agricultura; b) reas cubiertas por bosques y selvas y otras coberturas naturales, c) reas de conservacin; d) tierras no accesibles (por tener pendientes superiores al 5%, 8% o 12%, dependiendo del cultivo). A continuacin se listan los insumos utilizados en el anlisis. reas naturales protegidas. (reas Naturales Protegidas Federales de Mxico CONANP 2007). Carta de uso de suelo y vegetacin serie III, INEGI 2002. Mapa de Heladas y Nevadas periodo 1941-1980 ATN Atlas Nacional de Riesgos, CENAPRED Tipos de Suelo. (INIFAP-CONABIO 1995) Se utiliz la informacin que maneja la carta, como fue la textura, fase fsica y la fase qumica de cada tipo de suelo. Pendientes (Reclasificacin a 5, 8 , 12 y 30%). Altitud Precipitacin total anual. CONABIO 1998. 11

Precipitacin Media mensual (Periodo 1971-2006) Temperatura Media mensual (Periodo 1941-2006) Radiacin solar. Radiacin solar global media Estacional I, II, III, IV. Galindo, I., Castro, S y Valds M. 1990.

Condiciones para el establecimiento de cultivosSe aplicaron 3 criterios para determinar reas potenciales para el establecimiento de los cultivos:1) rangos de precipitacin, 2) altitud, 3) pendientes, y 3 criterios ms de tipo excluyente 1) frecuencia de heladas, 2) reas naturales protegidas (todas fueron excluidas del anlisis), y 3) tipo de cobertura y/o uso de suelo (solo pastizal cultivado y natural fue considerado como disponible para el establecimiento de cultivos energticos) (Tabla 2).Tabla 2. Criterios utilizados para el establecimiento de cultivos. Cultivo Caa de azcar Sorgo grano Jathropa curcas Palma de aceite Maz Precipitacin en mm ao1

Altitud en m.s.n.m 0 - 800 0 - 1800 0 - 800 0 - 500 0 - 2800

Pendiente en %* 08 0 12 08 08 0 - 12

Frecuencia de heladas nm. de das ao1 < 50 < 50 < 25 0

Sorgo grano

Meses ao-1 Hmedo Sub hmedo Seco >5 >3 6 >4 10 >8