Biocarbón y agricultura sostenible

Por Jeff Schahczenski, economista de recursos agrícolas y naturales del NCAT

El biocarbón es una enmienda del suelo potencialmente valiosa producida a partir de la biomasa, mediante pirólisis. El biocarbón mejora la agregación del suelo, aumenta la capacidad de retención de nutrientes y agua, proporciona un hábitat para los organismos del suelo, modula la actividad microbiana y la biodiversidad, y puede estabilizar el carbono orgánico del suelo (SOC). La pirólisis también produce biocombustibles en forma de gases o aceites combustibles. Se cree que el biocarbón puede mitigar el cambio climático al proporcionar tanto energía renovable como una enmienda del suelo que puede mejorar significativamente el secuestro neto de carbono (C) del suelo. Sin embargo, es necesario realizar más investigaciones antes de que las aplicaciones de biocarbón a los campos y tierras de pastoreo puedan ser validadas como una compensación de carbono y una fuente potencial de ingresos para los agricultores y ganaderos.

Esta publicación revisa la investigación actual y las cuestiones relacionadas con la producción y el uso de esta tecnología energética de la biomasa y explora cómo el biocarbón puede contribuir a la agricultura sostenible. Se centra en el uso del biocarbón sostenible con la intención de añadirlo a los sistemas de producción de cultivos y los posibles beneficios para la mitigación del cambio climático.

Introducción

Los orígenes del estudio del biocarbón no se encuentran en las prácticas agrícolas modernas, sino en la exploración y el estudio arqueológico de los primeros asentamientos humanos y los suelos. Estos primeros estudios sobre el enriquecimiento de los suelos a partir de lo que parece ser la mezcla deliberada de biomasa quemada en los suelos alrededor de los asentamientos humanos ayudaron a despertar un interés más reciente por el biocarbón. Estos depósitos de suelos enriquecidos, conocidos como terra preta en la región amazónica de Sudamérica, se han convertido en todo un campo de estudio científico propio (Lehmann et al., 2004). Los suelos de terra preta contrastan notablemente con los suelos adyacentes, altamente erosionados, de baja fertilidad, rojos y tropicales (Oxisoles), de los que se derivan, y su fertilidad parece ser el resultado de la combinación de aportes de carbón vegetal y otros materiales orgánicos, como restos de comida y excrementos humanos, a lo largo de siglos (Wilson, 2014).

Los incendios forestales que se producen de forma natural también crean carbón, lo que puede dar lugar a la aparición de suelos oscuros y muy fértiles, como los Mollisoles del Medio Oeste de Estados Unidos y los Chernozems de la estepa rusa. En estas regiones, los incendios periódicos de las praderas consumen completamente la parte superior de la hierba seca, pero dejan carbono negro (es decir, biochar) en la superficie del suelo y cerca de ella. Se cree que el carbono negro así acumulado durante milenios comprende entre el 40 y el 50% del carbono orgánico total del suelo (SOC) en estos suelos.

Los estudios más actuales sobre el proceso de producción de biocarbón se centran en su papel en la creciente demanda de fuentes de energía basadas en la biomasa cuyo uso en lugar de los combustibles fósiles puede mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero y frenar el cambio climático. Para obtener más información sobre la bioenergía, consulte la publicación de ATTRA An Introduction to Bioenergy:Materias primas, procesos y productos. Además, el biocarbón tiene el potencial de mejorar la calidad del suelo y el carbono del suelo se

la cuestación. Para más información sobre el secuestro de carbono, véase la publicación de ATTRA Agriculture, Climate Change and Carbon Sequestration. Una fuente secundaria de interés en la pirólisis de la biomasa proviene de la creciente necesidad de desarrollar una tecnología de estufas de bajo coste y más saludable (menos contaminante) alimentada por biomasa.

¿Qué es el biocarbón?

La definición de biocarbón se refiere más a su creación y aplicación que a su composición. El biocarbón se crea mediante un proceso de conversión de energía llamado pirólisis. La pirólisis es la combustión de la biomasa en ausencia total o casi total de oxígeno. La pirólisis de la biomasa produce biocarbón, aceites y gases. La cantidad de estos productos depende de las condiciones de procesamiento. El biocarbón puede producirse a partir de una variedad de materias primas de biomasa (madera, estiércol, hierbas y residuos de cultivos). Los aceites y gases de la pirólisis pueden utilizarse para la producción de energía. El biocarbón y la energía creada durante la pirólisis pueden proporcionar tanto una fuente de energía renovable como un valioso coproducto para la mejora del suelo. En conjunto, estos productos tienen el potencial de dejar una huella de carbono “negativa”, como se explica más adelante en esta publicación.

Sin embargo, no todos los biocarbones son iguales. La eficiencia y la eficacia de la creación y el uso del biocarbón pueden variar, y las fuentes específicas de biomasa utilizadas pueden afectar a la caracterización y la idoneidad del biocarbón como enmienda del suelo que mejora la productividad de los cultivos y los bosques (McLaughlin et al., 2009).

La compleja investigación que se está llevando a cabo pretende conseguir un biocarbón más uniforme y estándar que limite los posibles problemas medioambientales asociados a la producción de biocarbón y su aplicación a los suelos. Las normas para los procesos de bajo impacto ambiental pueden hacer posible que las personas que compran biocarbón se aseguren de que su uso de la enmienda del suelo no conlleva una gran huella ambiental negativa. Las etiquetas de los productos pueden incluir medidas importantes de las cualidades del producto, como el contenido de C, N, P y K, los oligoelementos y los metales pesados, el contenido de humedad y cenizas, el pH y el equivalente de encalado, la CEC y el grado de envejecimiento (en meses o años, similar al del queso curado). Es posible que sigan existiendo obstáculos técnicos relacionados con la medición de los metales, la alcalinidad y algunos otros parámetros.

Algunos de los atributos de los biocarburantes pueden ir más allá de las características físicas y plantear cuestiones como si la materia prima procede de una fuente sostenible y renovable, si su producción reduce las emisiones de gases de efecto invernadero y si el biocarbón puede mejorar la calidad del suelo de forma fiable. La Iniciativa Internacional del Biocarbón (IBI) ha desarrollado una norma voluntaria de biocarbón y un programa de certificación (IBI, 2009; 2015b).

Importancia para los agricultores y ganaderos

Aumento de la fertilidad

Los agricultores y ganaderos pueden estar interesados en el biocarbón como enmienda del suelo que puede mejorar la fertilidad y reducir la necesidad de otros fertilizantes que conllevan costes directos y medioambientales. El biocarbón también muestra un potencial considerable para mejorar las propiedades físicas del suelo, incluyendo la estabilidad de los agregados, la porosidad y la infiltración de la humedad, y la capacidad de retención de agua (Blanco-Canqui, 2017; Sandhu y Kumar, 2017). Sin embargo, las cuestiones prácticas de coste, cantidad de aplicación, disponibilidad y posibles riesgos con la aplicación aún no se han explorado completamente, aunque la investigación se está expandiendo rápidamente. El libro Biochar for Environmental Management: Science, Technology and Implementation, 2nd Edition, editado por Johannes Lehmann y Stephen Joseph, contiene parte de la mejor información actual (2015) disponible. Los científicos aún no comprenden del todo cómo el biocarbón proporciona fertilidad a los cultivos, pero a continuación se ofrece un buen resumen de lo que la investigación ha sugerido hasta la fecha:

• Los biocarburantes tienen un contenido variable y a menudo limitado de nutrientes vegetales per se. La pirólisis elimina al menos la mitad del contenido de N de la materia prima original (North, 2015), pero puede concentrar cationes básicos como el potasio (K) y el calcio (Ca), dependiendo del contenido de cenizas del producto de biochar. Por ejemplo, un producto de Swiss Biochar contenía un 0,8% de potasa (K2O) (Schmidt y Niggli, 2015), que aportaría 160 libras de K2O por acre en una aplicación de 10 toneladas por acre. Los biocarburantes elaborados con estiércol suelen tener un mayor contenido en nutrientes que los de origen vegetal.
• El biocarbón mejora la fertilidad del suelo principalmente proporcionando capacidad de intercambio catiónico (CEC); reduciendo las pérdidas por lixiviación de nitrato, fosfato y otros nutrientes aniónicos, mejorando la estructura del suelo y la capacidad de retención de humedad, y mejorando la biología del suelo (Blanco-Canqui, 2017; Petersen-Rockney, 2015; Wilson, 2014).
• La mayor disponibilidad de nutrientes para los cultivos que permite el biocarbón es probablemente mayor si el biocarbón se mezcla con compost, estiércol o fertilizante sintético antes de su aplicación. El biocarbón combinado con nitrógeno sintético aumentó el rendimiento del trigo en Oregón (Machado et al., 2017). Mezclar el biocarbón de esta manera se denomina a menudo “cargar” el biocarbón.
• El biocarbón no funciona por sí solo; es más eficaz cuando se utiliza junto con otras prácticas e insumos orgánicos, como el cultivo de cobertura y el compost. La alta fertilidad y el contenido estable de SOC de los suelos de terra preta amazónica y de los suelos de las praderas son el resultado de las interacciones sinérgicas entre los aportes de carbono negro, la vegetación viva, otros residuos orgánicos y la biota del suelo, y no del carbón por sí solo (Wilson, 2014). Del mismo modo, las aplicaciones de campo de una mezcla de biocarbón y estiércol lácteo (un total de 4,5 toneladas por acre) mejoraron la capacidad de retención de agua del suelo en mayor medida que cualquiera de los dos materiales por separado, aplicados en la misma proporción (Sandhu y Kumar, 2017).
• La elevada superficie y la estructura de los poros del biocarbón proporcionan un hábitat para los microorganismos del suelo, incluidas las bacterias fijadoras de N, así como los hongos beneficiosos, que a su vez pueden hacer que algunos nutrientes estén más disponibles para los cultivos (Petersen-Rockney, 2015).
• La eficacia del biocarbón para mejorar el rendimiento de los cultivos puede depender de muchos factores: la calidad del propio producto de biocarbón (materia prima, temperatura de pirólisis, procedimiento, tiempo transcurrido entre la fabricación y el uso), el tipo y la textura del suelo, el estado del suelo existente (o la salud del suelo) y los cultivos. Los beneficios para las propiedades físicas del suelo (por ejemplo, la capacidad de retención de agua) son mayores en los suelos arenosos (Blanco-Canqui, 2017). Las mayores respuestas positivas de rendimiento al biocarbón tienden a ocurrir en suelos ácidos, de baja fertilidad o degradados (Kittredge, 2015), como en la cuenca del Amazonas, donde siglos de prácticas indígenas que incluían el biocarbón construyeron la terra preta.
• El biocarbón suele ser alcalino, con un importante efecto de encalado relacionado con su contenido en cenizas. En ensayos cooperativos con 144 hortelanos europeos, las hortalizas de las familias de las crucíferas, las cucurbitáceas y las umbelíferas (zanahorias) mostraron una respuesta de rendimiento del 25 al 30% al biocarbón con ~4,5 toneladas por acre, mientras que los rendimientos de las solanáceas (tomate, patata, berenjena) disminuyeron ~15% y los rendimientos de los guisantes, las judías y la lechuga no se vieron afectados (Schmidt y Niggli, 2015). Las tres primeras familias de plantas se beneficiaron del efecto alcalinizante y del K aportado por el producto de biochar utilizado, mientras que las solanáceas prefieren suelos más ácidos y se vieron ligeramente perjudicadas por la alcalinidad del producto.
• El envejecimiento del biocarbón después de su producción puede ser fundamental para su eficacia (Wilson, 2014). Los procesos oxidativos durante el envejecimiento del biocarbón desarrollan cargas superficiales negativas (= CEC), promueven la estabilización organomineral del carbono orgánico del suelo (SOC) y pueden mejorar la respuesta del rendimiento de los cultivos a las enmiendas de biocarbón (Mia et al., 2017). El SOC y el N orgánico del suelo aumentaron con los años después de una aplicación de 10 toneladas por acre en varios sistemas de cultivo (Aller et al., 2017).
• La investigación sobre si el biocarbón puede proporcionar una mejor disponibilidad de nitrógeno y fósforo a los cultivos no es definitiva, pero sugiere un efecto positivo.

Retención de la humedad

Unos pocos estudios sobre la aplicación de biocarbón en los cultivos sugieren que el biocarbón muestra resultados diferentes en cuanto a la mejora de la retención de la humedad del suelo. Este atributo del biocarbón puede disminuir los efectos de la sequía sobre la productividad de los cultivos en las zonas propensas a la sequía. Como se ha señalado anteriormente, esta capacidad de retención de la humedad está relacionada en gran medida con la elevada superficie y porosidad del biocarbón. Existe cierta controversia porque la capacidad de retención de humedad está relacionada con la materia prima que se utilizó para producir el biocarbón, así como con el proceso exacto de producción. Estos dos factores pueden afectar a la estructura de los poros y de la superficie del biocarbón. Sin embargo, si el cambio climático conduce a condiciones aún más secas en muchas zonas de producción agrícola, el biocarbón como enmienda del suelo puede seguir teniendo algún efecto positivo en la retención de la humedad del suelo, incluso si es variable a partir de diversas fuentes de materia prima (Lehmann y Joseph, 2015; Shafaqat et al., 2017).

Efectos de la limitación

Para los suelos ácidos que requieren encalado, cada vez hay más pruebas de que el biocarbón puede mejorar el equilibrio del pH del suelo (Collins, 2008). Puede ser necesario aplicar más biocarbón, en relación con el encalado. Sin embargo, la sustitución de la cal por el biocarbón puede proporcionar un beneficio neto de carbono en comparación con el encalado estándar. No se sabe cuánto tiempo dura el efecto encalador del biocarbón en el suelo (Jeffery et al., 2015). El biocarbón parece mejorar la capacidad general de intercambio de cationes (CEC), lo que también mejoraría el equilibrio y la amortiguación del pH. El biocarbón puede proporcionar una forma de reducir la toxicidad ácida en los suelos que está relacionada con el uso de fertilizantes sintéticos a largo plazo y la práctica de cultivos sin labranza.

Producción de bioenergía en la granja y en la comunidad

El proceso de fabricación de biocarbón tiene el potencial de ser ampliado hasta un nivel que permita producir biocarbón y bioenergía en la granja o como proyecto de desarrollo económico de la comunidad rural. Las granjas y los ranchos tienen la ventaja de estar cerca de varias fuentes de biomasa que serían apropiadas para la producción y el uso del biocarbón. Algunos proyectos de demostración e investigación en Estados Unidos están empezando a examinar la producción de biocarbón, pero hasta ahora se han limitado en gran medida a la producción de biocarbón forestal y de combustible líquido y bioenergía eléctrica. Un estudio reciente (2017) proporcionó un estudio de caso a escala de granja sobre la producción y utilización de biochar en el estado de Washington (Phillips et al., 2018). El estudio concluyó que la producción de biocarbón en la granja a partir de biomasa residual creada en la misma es físicamente posible para satisfacer las demandas de los cultivos tanto para la aplicación de energía como de biocarbón. Sin embargo, la producción en la granja sólo proporcionó suficiente biocarbón anualmente para cubrir entre el 6,3 y el 11,8% de la tierra en producción. Al final de esta publicación se ofrecen enlaces a otros proyectos de biocarbón.

Potencial económico del biocarbón

Hay tres fuentes de potencial económico del biocarbón para los agricultores y ganaderos: como enmienda del suelo que podría sustituir parcialmente a los fertilizantes; como fuente de calor, bioaceite y gases para uso de las explotaciones agrícolas y ganaderas; y como compensación de carbono en los futuros mercados de tope y comercio. Por ejemplo, es concebible que una explotación agrícola o ganadera con importantes fuentes de biomasa renovable disponibles para la cosecha pueda convertir esa biomasa en calor y combustible líquido o gaseoso para el funcionamiento de la maquinaria y también devolver el biocarbón a los campos para mejorar la fertilidad y recoger un pago por compensación de carbono. Sin embargo, hay que tener en cuenta que hay que responder a varias cuestiones económicas, institucionales y normativas antes de que un proyecto de este tipo pueda optimizarse por completo.

Costes y valor del biocarbón

¿Cuáles son los costes y valores de la producción de biocarbón? La respuesta a esta pregunta sigue siendo una cuestión de investigación abierta. Un buen punto de partida es un estudio publicado por la Universidad Estatal de Washington, que estima una amplia gama de costes para la producción de biocarbón y biopetróleo (Granatstein et al., 2009). Como se ha señalado anteriormente, la creación de biocarbón no sólo da lugar a carbón, sino también a aceites (bioaceite) y gases que tienen un valor económico potencial. Dependiendo de la escala de producción, que va desde unidades de producción teóricas móviles a estacionarias, el estudio de la WSU sugiere una amplia gama de costes totales de producción para el biocarbón. Sin embargo, los ingresos totales estimados tanto del biocarbón como del biopetróleo, restados de los costes totales de producción estimados, son negativos para los cuatro tipos de instalaciones de biocarbón analizadas (Granatstein et al., 2009). Por lo tanto, la producción de biocarbón parece no ser rentable.

Sin embargo, en este estudio, el precio del biocarbón se basa en una comparación del valor energético relativo del biocarbón con el carbón y se estima en 114 dólares por tonelada. El bioaceite está valorado en 1,06 dólares por galón en comparación con el gasóleo de calefacción. Por lo tanto, el biocarbón en este estudio no parece ser producido económicamente a menos que el biopetróleo o el biocarbón puedan ser vendidos a un precio mayor que estos precios estimados.

Más recientemente, los líderes de la industria del biocarbón han sugerido que el biocarbón se vende en Estados Unidos a un precio de entre 0,12 y 1,50 dólares por libra, o entre 240 y 3.000 dólares por tonelada (Biomass Magazine, 2017). La extrema variedad de precios se atribuye a la diversidad de mercados del biocarbón, como el que se utiliza como enmienda a los abonos de jardín, en la rehabilitación de minas y en proyectos de investigación. Además, cada vez son más las empresas de Estados Unidos y del resto del mundo que suministran biocarbón. Se estima que en 2015 había 326 empresas de biocarbón en todo el mundo, lo que indica la viabilidad comercial del biocarbón para algunos usos (IBI, 2015a).

Un estudio más reciente (2017) se realizó para estimar el valor económico del biochar para el secuestro de carbono en el estado de Massachusetts (Timmons, et al.). El estudio se basó en las fuentes de biomasa forestal. Los investigadores estiman que el valor agrícola del biocarbón es de 57 dólares por tonelada, pero el coste de la producción de biocarbón tras restar este valor agrícola oscila entre 211 dólares por tonelada y 304 dólares por tonelada.

El estudio utilizó información real de cinco instalaciones de producción de biocarbón a diferentes escalas de producción que operan actualmente en Massachusetts. El estudio también calcula el valor agrícola del biocarbón para los agricultores de Massachusetts, basándose en estudios de producción de cultivos que indican un aumento estimado del 10% en el valor de toda la producción agrícola de Massachusetts.

Sin embargo, dado que este estudio se centra en la economía del secuestro de carbono del biocarbón, no se evaluó el valor del biocarbón como fuente de energía. No obstante, para estos cinco métodos alternativos de producción de biocarbón, éste tendría que venderse a un precio muy superior a su coste estimado de 211 a 304 dólares por tonelada. El cálculo del coste de secuestro de carbono del biocarbón requiere estimaciones adicionales del contenido de carbono del biocarbón y del porcentaje de carbono del biocarbón secuestrado en el suelo que permanece “recalcitrante” o estable. Se calcula que el coste del secuestro en este estudio oscila entre los 83 y los 119 dólares por Mega-gramo (Mg) de dióxido de carbono (CO2). Este coste estimado es importante, ya que implica una oferta de precio de equilibrio para la mitigación del CO2 en un posible mercado de carbono de tope y comercio. Así, un agricultor o ganadero podría compensar el coste del biocarbón recibiendo pagos de créditos de carbono por su aplicación.

En general, este estudio estima que el potencial del biocarbón para mitigar el impacto climático y producir energía renovable de biomasa es modesto. Si toda la biomasa cosechada de forma sostenible de los bosques de Massachusetts se utilizara para la producción de biocarbón, se estima que se necesitarían 71 instalaciones de procesamiento de biocarbón para manejar el volumen producido. Pero estas 71 instalaciones sólo producirían el 0,03% del consumo de electricidad del Estado en 2015 y el 3,2% de su producción de combustibles destilados en 2015, y sólo secuestrarían el 0,2% de sus emisiones de gases de efecto invernadero en 2015. Este estudio sugiere una contribución muy limitada del biocarbón a la mitigación del clima, en relación con otras opciones.

Mercados de captura de carbono

Sólo existen unos pocos mercados privados de compensación de carbono, y ninguno ha institucionalizado un mercado de compensación de carbono relacionado con el biocarbón. Además del estudio mencionado anteriormente, otros estudios han estimado el nivel de ingresos por compensación de carbono que puede generar la producción de biocarbón. Se basan en las estimaciones de las emisiones de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida y en las expectativas de los futuros precios desconocidos del carbono. Una de las ventajas distintivas del biocarbón es que proporciona una medición relativamente fácil para el secuestro de carbono del suelo, en comparación con otras formas de aumentar el secuestro de carbono del suelo.

Con la esperanza de que el biocarbón esté disponible para los mercados privados o públicos de secuestro de carbono, la Iniciativa Internacional de Biocarbón (IBI) intentó que el biocarbón fuera reconocido por el Registro Americano de Carbono (ACR). Sin embargo, debido a la insuficiente validación científica de la capacidad del biocarbón para permanecer estable en los suelos, la ACR rechazó en 2015 la solicitud de IBI. Además, otro intento de conseguir que los proyectos de biocarbón en California proporcionen créditos de carbono para el mercado de límites máximos y comercio de California también fracasó, a pesar de los grandes esfuerzos para desarrollar un protocolo de biocarbón.

Cuestiones reglamentarias

La producción de biocarbón tiene varias cuestiones normativas que superar antes de que pueda desarrollarse una industria del biocarbón. Entre los principales problemas se encuentran los siguientes:

• Aplicaciones y posible contaminación atmosférica por polvo de carbón. El biocarbón es muy ligero y se rompe fácilmente en pequeñas partículas que pueden ser transportadas por el aire.
• Las normas de emisión de aire de la producción de biocarbón no se han examinado por completo y pueden variar en función del diseño del equipo de pirólisis.
• Cuestiones de calidad del agua relacionadas con la aplicación de biocarbón en campos potencialmente erosionables.
• Contenido potencial de metales pesados en el biocarbón (dependiendo de la materia prima de la biomasa) y su efecto en la salud humana y animal.

Aunque estas cuestiones no están fuera de solución, habrá que investigarlas todas y probablemente añadirán costes a la producción y uso del biocarbón como enmienda del suelo.

Relación con el cambio climático y la retención de carbono en el suelo

Uno de los aspectos más prometedores de la producción combinada de biocarbón y bioenergía es que podría ser una importante fuente de energía renovable con el potencial de mitigar considerablemente las emisiones de gases de efecto invernadero y frenar el cambio climático. La figura 2 ilustra esta capacidad del biocarbón. Los porcentajes de la figura son sólo estimaciones de las posibles compensaciones de carbono atmosférico. Todavía no están completamente documentados y se utilizan aquí sólo como ilustración del proceso.

La primera ilustración muestra el proceso de secuestro de carbono. Esto representa el ciclo natural del carbono. Cuando las plantas extraen dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera, parte de ese carbono se incorpora a las estructuras de las plantas mediante el proceso de fotosíntesis, mientras que el resto se devuelve a la atmósfera en forma de CO2 a través de la respiración. Cuando las plantas se desprenden de sus hojas y ramas o mueren por completo, añaden ese carbono incorporado al suelo. Aunque la mayor parte del carbono de los residuos de las plantas sobre el suelo se libera con bastante rapidez a la atmósfera en forma de CO2 a través de la actividad microbiológica del suelo, el carbono de los residuos de las raíces se convierte de forma más eficiente (entre un 30 y un 35%) en SOC secuestrado a largo plazo (Brady y Weil, 2008). A largo plazo, las cantidades relativas de CO2 que se secuestran y se liberan en un ecosistema natural están más o menos equilibradas, por lo que se dice que el proceso es neutro en carbono. Carbono neutro significa que no se añade carbono neto a la atmósfera, aparte del que se produce de forma natural. El cambio climático está causado en parte por las adiciones netas de carbono (carbono positivo) a la atmósfera. Estas adiciones se deben principalmente a que los seres humanos han quemado las reservas de combustibles fósiles basados en el carbono a un ritmo creciente durante los últimos 500 años. El carbono negativo se refiere a la reducción neta real de carbono en la atmósfera, que puede ocurrir en cualquier ecosistema natural o agrícola en el que la fotosíntesis bruta supera la suma de la respiración de las plantas y del suelo (microbiana).

En el caso del biocarbón de la Figura 1, el proceso natural se interrumpe capturando parte de la biomasa antes de que llegue directamente al suelo y utilizando una parte (el 25% en el ejemplo anterior) para la producción de bioenergía y otra para la producción de biocarbón. La ilustración muestra que la biomasa que se convierte en energía (en forma de calor, gas o combustibles líquidos) libera parte del carbono en forma de CO2 de vuelta a la atmósfera en un supuesto proceso neutro de carbono. La otra parte de la biomasa se convierte en biocarbón y, debido a su estabilidad, puede secuestrar en el suelo todo el carbono fijado originalmente a través de la fotosíntesis (en esta ilustración), excepto el 5%. Por lo tanto, el uso del biocarbón como enmienda del suelo puede hacer que todo el proceso de pirólisis sea una fuente neta de energía negativa en carbono.

La capacidad de la producción combinada de biocarbón y bioenergía para ofrecer un combustible renovable de carbono negativo a través de su coproducto de enmienda del suelo está limitada a puntos críticos en el proceso de su producción y uso. En primer lugar, es importante que el biocarbón aplicado como enmienda del suelo permanezca secuestrado durante mucho tiempo, y/o contribuya a la estabilización del SOC de otras fuentes (otras enmiendas orgánicas y residuos de la biomasa vegetal, especialmente la biomasa de las raíces y los exudados de las mismas). En la jerga del cambio climático, esto se refiere a la cuestión de la permanencia. En otras palabras, sería difícil afirmar un secuestro permanente de carbono si el carbono del biocarbón que se aplica como enmienda del suelo se libera inmediatamente de nuevo a la atmósfera a través de posibles procesos de descomposición microbiana. Muchos estudios realizados hasta la fecha indican que el biocarbón aplicado al suelo devuelve el carbono al medio ambiente muy lentamente, con tiempos de renovación de varios cientos a miles de años (Lehmann et al., 2004). Sin embargo, el secuestro neto de C puede variar dependiendo de los impactos del biocarbón en otras fracciones del carbono orgánico del suelo (SOC). Por ejemplo, las aplicaciones de biocarbón de 13, 26 y 39 toneladas por acre en una rotación de maíz-trigo redujeron el secuestro de carbono de residuos de cultivos en SOC durante un período de cinco años en ¼, ½ y 2/3, respectivamente, probablemente al estimular la descomposición de residuos (Xinliang et al., 2018). En otro estudio, una aplicación única de biocarbón a razón de 10 toneladas por acre mejoró el SOC total y el N orgánico en varios sistemas de cultivo (maíz continuo, maíz-soja, maíz-soja-triticale, maíz-pasto de conmutación, pasto de conmutación continuo), y los beneficios aumentaron con el tiempo (de dos a seis años) después de la aplicación (Aller et al., 2017).

Independientemente de que cientos o miles de años signifiquen un secuestro permanente, se trata de una liberación mucho más lenta que el secuestro de carbono del suelo que se produce cuando se adoptan prácticas agrícolas como el laboreo de conservación como medio para mitigar el cambio climático. Por ejemplo, la siembra directa continua puede secuestrar una cantidad considerable de SOC, pero lo hace en una forma físicamente protegida dentro de los agregados cerca de la superficie del suelo; una sola pasada de labranza puede liberar la mayor parte de este carbono (Cavigelli, 2010; Grandy y Robertson, 2007). También ofrece un secuestro de carbono más seguro y probablemente menos costoso que los métodos relacionados con el almacenamiento de dióxido de carbono en formaciones geológicas subterráneas (conocidos como tecnologías de captura y secuestro de carbono). Sin embargo, hay quienes sostienen que otros enfoques para el secuestro de SOC, incluidos los sistemas de pastoreo rotativo de gestión intensiva, el uso de compost terminado y la restauración de las tierras degradadas a la vegetación perenne nativa, pueden ser más eficaces para lograr un sistema neto de carbono negativo que la fabricación y el uso de biochar (North, 2015). Por ejemplo, aunque una aplicación de biocarbón de 10 toneladas por acre condujo a un aumento del SOC de la capa superior del suelo de 2,07 a 2,84% durante varios años (~7,7 toneladas por acre de acumulación de C en la capa de arado), el cultivo de pasto varilla sin ningún tipo de insumos fuera de la granja elevó el SOC a 2,56%, lo que representa un secuestro neto real de C de alrededor de 4,6 toneladas por acre (Aller et al., 2017).

En segundo lugar, el potencial negativo de carbono del biocarbón se ve potenciado o limitado por la eficiencia de la producción de energía y la capacidad del proceso global de producción para limitar las emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero. En parte, esto se debe a la controversia sobre las metodologías científicas para medir la producción de energía basada en la biomasa (PNUMA, 2009). No obstante, para comprender correctamente estos potenciales del biocarbón, es necesario examinar un análisis del ciclo de vida del biocarbón para tener en cuenta plenamente la eficiencia energética y las emisiones de gases de efecto invernadero. El análisis del ciclo de vida es un método utilizado para evaluar las cargas medioambientales asociadas a un producto, proceso o actividad a lo largo de toda su vida, cuantificando la energía, los recursos y las emisiones y evaluando su efecto en el medio ambiente. Sólo unos pocos investigadores han realizado este tipo de análisis para el biocarbón. Varios han llegado a la conclusión de que el biocarbón podría dar lugar a una reducción neta de las emisiones de gases de efecto invernadero (carbono-negativo) y es un uso energéticamente eficiente de la biomasa (Gaunt y Lehmann, 2008; Lehmann y Joseph, 2015; Roberts et al., 2010; Homagain et al., 2016), mientras que al menos uno ha planteado importantes preocupaciones sobre los impactos netos en el ecosistema de la fabricación de biocarbón a gran escala (North, 2015).

El biocarbón puede ser una fuente eficiente de energía renovable. Más concretamente, un estudio estimó que la producción de biocarbón tenía de dos a cinco veces más posibilidades de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero que si la biomasa se utilizaba sólo para la producción de energía (Gaunt y Lehmann, 2008). De manera significativa, se estimó que la energía producida por unidad de entrada de energía (conocida como ratio de energía) estaba en el rango de 2 a 7, lo que significa que la energía de salida de la producción de biocarbón es entre dos y siete veces mayor que la entrada de energía para su producción. Esta relación energética estimada para el biocarbón es potencialmente más eficiente desde el punto de vista energético que la producción de energía para otros biocombustibles como el etanol de maíz, o incluso nuevas tecnologías como el etanol celulósico. La figura 2 ofrece un ejemplo de los detalles del análisis del ciclo de vida del biocarbón, dirigido por Kelli Roberts, de la Universidad de Cornell.

Por último, estos primeros resultados positivos del análisis del ciclo de vida necesitan una mayor verificación y un estudio más minucioso antes de que se pueda afirmar con gran certeza que el biocarbón tiene el potencial de proporcionar energía renovable de carbono negativo. Esta precaución se aconseja por tres razones importantes.

En primer lugar, los análisis del ciclo de vida realizados hasta la fecha se basan en investigaciones que aún no han demostrado claramente que el biocarbón aplicado a todos los suelos pueda tanto reducir las emisiones de óxido nitroso (N2O) del suelo como mejorar la fertilidad. Las emisiones de óxido nitroso de los suelos representan la mayor fuente de emisiones de gases de efecto invernadero (en equivalentes de dióxido de carbono o CO2eq) de la producción agrícola y están relacionadas con la aplicación de N fácilmente disponible de fuentes sintéticas u orgánicas (Charles et al., 2017; Eagle et al., 2017). Si el biocarbón puede reducir las emisiones de óxido nitroso porque puede reducir la necesidad de fertilizantes solubles de N y/o reducir las emisiones de óxido nitroso del suelo al mejorar el ciclo y la retención del N en el suelo, entonces la producción de biocarbón y su aplicación a las tierras agrícolas puede desempeñar un papel mucho más importante en la mitigación del cambio climático.

En las incubaciones de laboratorio, las enmiendas de biocarbón al 1% en volumen (~10 toneladas por acre mezcladas hasta la profundidad del arado) redujeron las emisiones de N2O de una marga arenosa de Hanford (un Entisol de fondo o suelo joven del Valle Central de California) en un 74%, aproximadamente igual a la eficacia de un inhibidor de la nitrificación y un inhibidor de la ureasa comúnmente utilizados en la gestión convencional del N (Cai et al., 2016). Otras investigaciones sugieren que la mayor parte de la mitigación neta de GEI del ciclo de vida del uso de biocarbón está relacionada con el carbono estable del biocarbón, y sólo una parte menor resulta del menor uso de fertilizantes de N y de la reducción de las emisiones de N2O (Roberts et al., 2010). Se necesita más investigación para cuantificar mejor los beneficios netos de mitigación de GEI de la mejora del ciclo del N, la reducción de las necesidades de fertilizantes y la reducción de las emisiones de N2O del suelo resultantes de las enmiendas de biochar.

En segundo lugar, los análisis energéticos de los sistemas de cultivo, que determinan cuánta energía se destina a la producción de cultivos energéticos de biomasa, también son limitados. Por lo tanto, es difícil saber qué sistemas de cultivo de biomasa pueden reducir el uso de combustibles fósiles.

En tercer lugar, debido a las altas tasas de aplicación necesarias para la eficacia (normalmente 10 toneladas por acre), la obtención de materias primas de pirólisis para la fabricación de biocarbón plantea graves problemas medioambientales. North (2015) subraya que no existe “ninguna materia prima de biocarbón producida en ningún ecosistema del planeta cuya expropiación masiva no dañaría la función normal necesaria del ciclo del carbono en ese ecosistema.”

Con la mejora del trabajo en estas tres cuestiones, los futuros estudios del ciclo de vida pueden medir mejor la capacidad de combustible negativo en carbono del proceso de producción de biocarbón.

Los límites del biocarbón y el cambio climático: El debate entre combustible y alimentos

El biocarbón como potencial fuente de energía renovable y medio para mitigar el cambio climático depende del uso y la producción sostenibles de las fuentes de biomasa. Una cuestión importante que se plantea para todas las energías basadas en la biomasa -incluido el desarrollo del biocarbón- es lo que suele denominarse el debate entre combustible y alimento. Los activistas medioambientales y de derechos humanos han expresado su preocupación por el “acaparamiento de tierras” en el Sur global para las empresas de fabricación de biocarbón a escala industrial, así como para la producción directa de biocombustibles (North, 2015). Otra caracterización de este debate es lo que se ha denominado el trilema de las implicaciones alimentarias, energéticas y medioambientales de los biocombustibles beneficiosos y sostenibles (Tilman et al., 2009).

Este trilema está relacionado con la cuestión general de la sostenibilidad y cómo maximizar múltiples objetivos simultáneamente. En el caso de la bioenergía beneficiosa y sostenible, el trilema se plantea como sigue:

Los biocombustibles bien hechos pueden producirse en cantidades considerables. Sin embargo, deben derivarse de materias primas producidas con emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida mucho más bajas que las de los combustibles fósiles tradicionales y con poca o ninguna competencia con la producción de alimentos. (Tilman et al., 2009)

En términos generales, ¿cómo pueden producirse los biocombustibles de forma que no destruyan con el tiempo nuestro entorno natural y tampoco reduzcan nuestra capacidad de mantener y mejorar la seguridad alimentaria de todas las personas? Los autores que plantearon esta cuestión proporcionaron una lista de materias primas beneficiosas para la bioenergía que pueden resolver este trilema (Tilman et al., 2009):

• Plantas perennes cultivadas en tierras degradadas abandonadas del uso agrícola
• Parte de los residuos de la producción agrícola, siempre que una parte importante se devuelva a la tierra para mejorar la fertilidad y la salud del suelo en el futuro
• Madera y residuos forestales de origen sostenible
• Dobles cultivos y sistemas de cultivo mixtos que integran alimentos y cultivos dedicados a los combustibles
• Residuos municipales e industriales

Los autores también señalan que el pleno desarrollo de estas reservas de biomasa debe hacerse de manera que no provoque indirectamente cambios significativos en el uso de la tierra que puedan dar lugar a emisiones de gases de efecto invernadero aún mayores. Por ejemplo, si parte de los residuos de las cosechas producidas en la producción de alimentos no se devuelven a los suelos para mantener la fertilidad y la salud del suelo, esa pérdida puede compensarse con un mayor uso de fertilizantes sintéticos. Es necesario extremar las precauciones; por ejemplo, la eliminación de los residuos de maíz por encima del suelo (rastrojos) puede hacer que la rotación de cultivos pase de un secuestro neto de SOC a pérdidas netas de SOC y a un aumento de la erosión del suelo (Blanco-Canqui et al., 2016a; 2016b), con un punto de equilibrio de SOC en torno al 30% de eliminación de rastrojos (Andrews, 2006). La degradación del suelo por la excesiva eliminación de residuos puede hacer necesario un mayor aporte de fertilizantes, con su energía incorporada (emisiones de CO2) y un mayor riesgo de emisiones de N2O al suelo. Además, si se sustituyen las hectáreas destinadas a la producción de alimentos por cultivos energéticos específicos, esto puede provocar la destrucción de bosques y praderas en otras partes del mundo para compensar la pérdida de producción de alimentos en esas hectáreas. Esto puede conducir a una emisión aún mayor de gases de efecto invernadero, además de agravar la inseguridad alimentaria en muchos casos. Este último problema se denomina a menudo la cuestión del uso indirecto de la tierra y es la fuente de un considerable debate a la hora de evaluar la sostenibilidad de los distintos sistemas de producción de biocombustibles. Para más información, véase el artículo El uso de las tierras de cultivo de EE.UU. para los biocombustibles aumentó los gases de efecto invernadero a través de los cambios en el uso del suelo (Searchinger et al., 2008).

Parece que se está prestando gran atención a estas cuestiones, así como a los intentos internacionales de elaborar principios de sostenibilidad para utilizarlos en la identificación de fuentes de biomasa para la conversión final del biocarbón. La Iniciativa Internacional del Biocarbón (IBI) ha desarrollado un programa voluntario de certificación del biocarbón basado en su definición de producción estandarizada de biocarbón y en las directrices de ensayo para su uso en suelos. Debido a que los esfuerzos del biocarbón se dirigen en gran medida a la producción de bioenergía renovable con carbono negativo (frente a los simples combustibles con carbono neutro), a menudo hay una comprensión inherente de estas cuestiones entre los defensores del biocarbón. Sin embargo, el programa de certificación de IBI no incluye el reconocimiento de los impactos de mitigación de carbono del uso de biochar. Por lo tanto, este programa y etiqueta de certificación no proporciona ninguna información sobre la sostenibilidad de la cosecha de la biomasa utilizada en su producción.

Resumen: El futuro del biocarbón para la agricultura sostenible

Cuando se utiliza como un componente de un programa integrado de fomento de la salud del suelo, el biocarbón tiene potencial para el desarrollo de sistemas de producción agrícola sostenibles. Podría utilizarse como fuente potencial de energía renovable, como enmienda del suelo para mejorar el ciclo de los nutrientes y la eficiencia del uso de los fertilizantes y, quizá lo más importante, como forma de mitigar el impacto humano en el clima. Será necesario seguir investigando las numerosas y complejas cuestiones relacionadas con los sistemas de producción de biocarbón para comprender mejor las implicaciones para los sistemas alimentarios, la protección del medio ambiente y la producción sostenible de bioenergía. Por último, el biocarbón podría desempeñar un papel importante en el desarrollo económico rural, ya que puede reducirse para las comunidades más pequeñas y cercanas a las fuentes de biomasa.

Es importante entender que el biocarbón es una herramienta -uncomponente de entrada dentro de un sistema holístico sostenible u orgánico que integra la rotación de cultivos, los cultivos de cobertura, la labranza cuidadosa y el uso juicioso de los insumos orgánicos, incluyendo el compost, así como el propio biocarbón- para promover la salud del suelo y la captura de carbono neto. La terra preta, el inspirador fenómeno agrícola indígena que dio lugar a la moderna industria del biocarbón, es más que carbono negro o biocarbón: es biocarbón + estiércol humano + restos de cocina + cenizas + otros insumos y/o prácticas orgánicas aún no identificadas que, a lo largo de los siglos, convirtieron los Oxisoles tropicales lixiviados en suelos que rivalizan con los Mollisoles del Cinturón del Maíz en cuanto a fertilidad. En lugar de considerar un solo componente del fenómeno de la terra preta como una panacea, el biocarbón debe evaluarse en el amplio contexto del sistema integrado.

Por último, la fabricación y el uso del biocarbón deben evaluarse en función de sus costes ecológicos y sociales (especialmente el abastecimiento de materia prima), así como de los beneficios para la superficie receptora. Tal vez la aplicación más ecológica del biocarbón sea el uso cuidadoso de la quema prescrita (donde sea apropiado, donde el ecosistema natural incluya incendios periódicos) para generar biocarbón in situ como parte del sistema de construcción del suelo. Los usos más adecuados desde el punto de vista sociológico podrían consistir en instalaciones de pirólisis a pequeña escala, caseras o comunitarias, utilizadas para procesar materias primas orgánicas de origen local que, de otro modo, no serían necesarias para mantener la salud del suelo o del ecosistema.

Biocarbón y agricultura sostenible
Por Jeff Schahczenski
NCAT Economista de Recursos Agrícolas y Naturales
Publicado en 2010
Actualizado en enero de 2018
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Esta publicación es producida por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en virtud de un acuerdo de cooperación con el Desarrollo Rural del USDA.