Evaluation of the potential as biofuels of species developed in contaminated soils

Abstract

La demanda mundial de producción de energía primaria aumenta cada vez más, y para hacer frente a esta demanda y al mismo tiempo abordar los problemas de protección del medio ambiente, la Unión Europea ha fijado dentro de la "Estrategia Europa 2020" el objetivo de aumentar la proporción de energías renovables al 20 %. Esto ha llevado a la necesidad de desarrollar medidas apropiadas para alcanzar los correspondientes medioambientales, principalmente la sustitución progresiva de los combustibles fósiles tradicionales por los de origen biológico: materiales y residuos de origen agrícola y ganadero como residuos vegetales y estiércoles de animales, subproductos de la industria agroalimentaria, y residuos urbanos. En este contexto, los procesos de fitoestabilización de suelos contaminados, que buscan la recuperación de estos suelos mediante el establecimiento de una cubierta vegetal autóctona y autosuficiente para reducir el riesgo de transferencia incontrolada de contaminantes al medio ambiente, pueden proporcionar biomasa vegetal útil para la producción de (bio)energía. Esto puede considerarse una opción adecuada y respetuosa con el medio ambiente para contribuir a lograr la cuota de energía renovable deseada. El objetivo de esta Tesis fue proporcionar información relevante, actualizada y útil sobre el potencial de producción de bioenergía de las especies vegetales que se utilizan para la recuperación de suelos contaminados con elementos traza mediante fitoestabilización. Los objetivos parciales fueron: - Revisar las principales técnicas de producción de energía; - Determinar las características de las especies vegetales utilizadas para los diferentes bio-combustibles; - Identificar especies vegetales locales con características compatibles con la producción de bioenergía que, al mismo tiempo, puedan tolerar altos niveles de elementops traza en los suelos donde se cultivan; - Revisar el potencial de las especies vegetales que crecen espontáneamente en sitios contaminados para la recuperación de suelos contaminados mediante fitoextracción y fitoestabilización; - Determinar el potencial de producción térmica y de biogás de estas especies para definir su utilidad para la producción de bioenergía. Esta Tesis Doctoral desarrolla una metodología que combina trabajo de investigación, análisis de datos bibliográficos, modelización e identificación, pruebas experimentales y difusión de resultados. El trabajo que se presenta en la presente memoria de Tesis Doctoral se divide en tres partes: 1. Revisión de las características químicas y bioenergéticas de los biocarburantes, las principales técnicas y procesos para su producción, así como las características de las distintas materias primas; 2. Recopilación de las técnicas naturales para la recuperación de suelos contaminados con elementos traza, centrada en la fitorremediación y el uso de la biomasa derivada para la obtención de bioenergía; 3. Evaluación de las características químicas y físicas de la biomasa de plantas que crecen espontáneamente en suelos de la zona minera de Cartagena-La Unión, y su potencial uso para la producción de bioenergía (combustión y digestión anaerobia). Resultados y conclusiones. La concentración de elementos traza en las plantas de los suelos mineros no afectó la producción de biogás ni a la producción de energía térmica. Las especies Piptatherum miliaceum, Phragmites australis y Arundo donax mostraron las mejores perspectivas para la producción de biogás. Por el contrario, las plantas de Dittrichia viscosa y Atriplex halimus presentan características más adecuadas para su combustión directa, debido a sus bajos valores de ceniza y humedad y mayores concentraciones de lignina. Por tanto, las especies más adecuadas para la producción de biogás resultaron ser las de la familia Poaceae. Las correlaciones positivas entre los valores de HHV y la producción de biogás sugieren que las especies investigadas pueden ser utilizadas para la fitoestabilización de suelos contaminados con elementos traza, y su biomasa utilizada para la producción de energía térmica o biogás.

The global demand for primary energy production is gradually increasing; to meet this demand for and, at the same time, address the problems of environmental protection, the European Union has set within the "Europe 2020 Strategy" the objective of increasing the proportion of renewable energy to 20 %. This has led to the need to develop appropriate measures to achieve the corresponding environmental objectives, mainly directed towards the progressive substitution of traditional fossil fuels for those of biological origin: materials and residues of agricultural and livestock origin such as plant residues and animal manures, by-products of the agri-food industry, and urban waste. In this context, phytostabilization processes, which seek the restoration of these soils through the establishment of an indigenous and self-sufficient vegetation cover to reduce the risk of an uncontrolled transfer of contaminants to the environment, can provide useful plant biomass for the production of (bio) energy. This can be considered a suitable and environmentally friendly option to contribute to the achievement of the desired renewable energy quota. The objective of this thesis was to provide relevant, updated and useful information on the potential for bioenergy production of plant species that are used for the remediation of soils contaminated with trace elements through the phytostabilization. The partial objectives were: - Review the main energy production techniques; - Determine the characteristics of the plant species used for the different biofuels; - Identify local plant species with characteristics compatible with the production of bioenergy that, at the same time, can tolerate high levels of trace elements in the soils where they are grown; - Review the potential of plant species that grow spontaneously in contaminated sites for the remediation of contaminated soils through phytoextraction and phytostabilization; - Determine the potential for thermal and biogas production of these species to define its usefulness for the production of bioenergy. This Doctoral Thesis develops a methodology that combines research work, bibliographic data analysis, modeling and identification, experimental tests and dissemination of results. The work presented in this Doctoral Thesis report is divided into three parts: 1. Review of the chemical and bioenergetic characteristics of biofuels, the main techniques and processes for their production, as well as the characteristics of the different raw materials; 2. Compilation of natural techniques for the recovery of soils contaminated with trace elements, focused on phytoremediation and the use of the obtained biomass for the production of bioenergy; 3. Evaluation of the chemical and physical characteristics of the biomass of plants that grow spontaneously in soils from the Cartagena-La Unión mining area, and its potential use for the production of bioenergy (combustion and anaerobic digestion). Results and conclusions. The concentration of trace elements in the plants of the mining soils did not affect the production of biogas nor the production of thermal energy. The species Piptatherum miliaceum, Phragmites australis and Arundo donax showed the best perspectives for the production of biogas. Contrastingly, Dittrichia viscosa and Atriplex halimus plants have more adequate characteristics for their direct combustion, due to their low ash and humidity values and higher lignin concentrations. Therefore, the most suitable species for the production of biogas were found to be those belonging to the Poaceae family. The positive correlations between the values of HHV and biogas production suggest that the species investigated can be used for the phytostabilization of trace elements contaminated soils, and their biomass used for the production of thermal energy or biogas.