El biocarbón y la agricultura sostenible

El biocarbón es un acondicionador de suelo potencialmente valioso que se produce a partir de 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 considera que el biocarbón mitiga el cambio climático al proporcionar tanto energía renovable como un acondicionador del suelo que puede mejorar significativamente el secuestro neto de carbono (C) en el suelo. Sin embargo, se necesita más investigación antes de que las aplicaciones de biocarbón en campos y pastizales puedan validarse como una compensación de carbono y una fuente potencial de ingresos para los agricultores y ganaderos.

Esta publicación repasa las investigaciones actuales y los temas relacionados con la producción y el uso de esta tecnología de energía de biomasa, y analiza cómo el biocarbón puede contribuir a la agricultura sostenible. Se centra en el uso de biocarbón sostenible con el objetivo de incorporarlo a los sistemas de producción de cultivos y en 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 sus suelos. Estos primeros estudios sobre suelos enriquecidos 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 en el biocarbón. Estos depósitos de suelos enriquecidos, conocidos como «terra preta» en la región amazónica de Sudamérica, se han convertido en un campo de estudio científico completo por sí mismos (Lehmann et al., 2004). Los suelos de terra preta contrastan notablemente con los suelos adyacentes de bosque tropical (oxisoles), de color rojo, altamente meteorizados y de baja fertilidad, de los cuales se derivaron, y su fertilidad parece ser el resultado de la combinación de carbón vegetal y otros materiales orgánicos, como restos de alimentos y excrementos humanos, a lo largo de varios siglos (Wilson, 2014).

Los incendios forestales naturales también generan carbón vegetal, lo que puede dar lugar a la formación de suelos oscuros y altamente 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 por completo las partes aéreas secas de los pastos, pero dejan carbono negro (es decir, biocarbón) en la superficie del suelo y cerca de ella. Se cree que el carbono negro acumulado de esta manera a lo largo de milenios constituye entre el 40 y el 50 % del carbono orgánico total del suelo (SOC) en estos suelos.

Los estudios más recientes sobre el proceso de producción de biocarbón se centran en su papel ante la creciente demanda de fuentes de energía a base de 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 Introducción a la bioenergía: materias primas, procesos y productos. Además, el biocarbón tiene el potencial de mejorar la calidad del suelo y el secuestro de carbono en el suelo. Para obtener más información sobre el secuestro de carbono, consulte la publicación de ATTRA Agricultura, cambio climático y secuestro de carbono. Otra razón por la que la pirólisis de la biomasa despierta interés es la creciente necesidad de desarrollar tecnología de estufas alimentadas con biomasa que sean de bajo costo y más saludables (menos contaminantes).

Estufa de biocarbón en Kenia: Fabricación de una estufa de biocarbón en Kenia. Fotos: Cortesía de la Iniciativa Internacional del Biocarbón

¿Qué es el biocarbón?

La definición de biocarbón se centra más en su proceso de creación y su aplicación prevista que en su composición. El biocarbón se produce mediante un proceso de conversión de energía llamado pirólisis. La pirólisis es la combustión de 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 se puede producir a partir de una variedad de materias primas de biomasa (madera, estiércol, pastos y residuos de cultivos). Los aceites y gases resultantes de la pirólisis se pueden utilizar para la producción de energía. El biocarbón y la energía generados durante la pirólisis pueden constituir tanto una fuente de energía renovable como un coproducto valioso para la mejora del suelo. En conjunto, estos productos tienen el potencial de generar 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 producción y el uso del biocarbón pueden variar, y las fuentes específicas de biomasa utilizadas pueden afectar 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).

Las complejas investigaciones en curso tienen como objetivo lograr un biocarbón más uniforme y estandarizado que limite los posibles problemas ambientales asociados con su producción y aplicación en los suelos. Las normas para procesos de bajo impacto ambiental podrían permitir a quienes compran biocarbón asegurarse de que el uso de este enmienda del suelo no implique una gran huella ambiental negativa. Las etiquetas de los productos pueden incluir indicadores importantes de la calidad del producto, como el contenido de C, N, P y K, oligoelementos y metales pesados, contenido de humedad y cenizas, pH y equivalente de encalado, CEC y grado de envejecimiento (en meses o años, similar al del queso añejo). Es posible que persistan algunos obstáculos técnicos relacionados con la medición de metales, la alcalinidad y otros parámetros.

Algunas de las propiedades del biocarbón pueden ir más allá de las meras características físicas y abarcar cuestiones como si la materia prima proviene de una fuente renovable y cosechada de manera sostenible, si su producción redujo las emisiones de gases de efecto invernadero y si el biocarbón puede mejorar la calidad del suelo de manera confiable. La Iniciativa Internacional del Biocarbón (IBI) ha desarrollado una norma voluntaria y un programa de certificación para el biocarbón (IBI, 2009; 2015b).

Importancia para los agricultores y ganaderos

Aumento de la fertilidad

Los agricultores y ganaderos pueden estar interesados en el biocarbón como un enmienda del suelo capaz de mejorar la fertilidad y reducir la necesidad de otros fertilizantes que conllevan costos tanto directos como ambientales. 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 humedad, así como la capacidad de retención de agua (Blanco-Canqui, 2017; Sandhu y Kumar, 2017). Sin embargo, aún no se han explorado a fondo los aspectos prácticos relacionados con el costo, la dosis de aplicación, la disponibilidad y los posibles riesgos de su uso, a pesar de que la investigación se está expandiendo rápidamente. El libro *Biochar for Environmental Management: Science, Technology and Implementation*, 2.ª edición, editado por Johannes Lehmann y Stephen Joseph, contiene parte de la mejor información disponible actualmente (2015). Los científicos aún no comprenden del todo cómo el biocarbón aporta fertilidad a los cultivos, pero lo siguiente ofrece un buen resumen de lo que la investigación ha sugerido hasta la fecha:

• Los biocarbones tienen un contenido de nutrientes vegetales variable y, a menudo, limitado en sí mismo. La pirólisis elimina al menos la mitad del contenido de nitrógeno (N) de la materia prima original (North, 2015); sin embargo, puede concentrar cationes básicos como el potasio (K) y el calcio (Ca), dependiendo del contenido de cenizas del biocarbón. Por ejemplo, un producto de biocarbón suizo contenía un 0,8 % de potasa (K₂O) (Schmidt y Niggli, 2015), lo que aportaría 160 libras de K₂O por acre en una aplicación de 10 toneladas por acre. Los biocarbones elaborados con estiércol suelen tener un mayor contenido de nutrientes que los biocarbones de origen vegetal.
• El biocarbón mejora la fertilidad del suelo principalmente al aportar capacidad de intercambio catiónico (CIC); al reducir las pérdidas por lixiviación de nitratos, fosfatos y otros nutrientes aniónicos; al mejorar la estructura del suelo y su capacidad de retención de humedad; y al potenciar la biología del suelo (Blanco-Canqui, 2017; Petersen-Rockney, 2015; Wilson, 2014).
• Es probable que la mayor disponibilidad de nutrientes para los cultivos que permite el biocarbón se potencie aún más si este se mezcla con compost, estiércol o fertilizante sintético antes de su aplicación. El biocarbón combinado con nitrógeno sintético aumentó los rendimientos del trigo en Oregón (Machado et al., 2017). A esta mezcla de biocarbón se le suele llamar «cargar» el biocarbón.
• El biocarbón no funciona por sí solo; es más eficaz cuando se utiliza junto con otras prácticas e insumos orgánicos, como los cultivos de cobertura y el compost. La alta fertilidad y el contenido estable de carbono orgánico del suelo (SOC) de los suelos de terra preta amazónicos y de las praderas son el resultado de interacciones sinérgicas entre los aportes de carbono negro, la vegetación viva, otros residuos orgánicos y la biota del suelo, y no del carbón en sí (Wilson, 2014). De manera similar, las aplicaciones en el campo de una mezcla de biocarbón y estiércol lechero (un total de 4,5 toneladas por acre) mejoraron la capacidad de retención de agua del suelo en mayor medida que cualquiera de los materiales por sí solo, aplicado en la misma proporción (Sandhu y Kumar, 2017).
• La gran superficie específica y la estructura porosa del biocarbón proporcionan un hábitat para los microorganismos del suelo, incluidas las bacterias fijadoras de nitrógeno, así como para hongos beneficiosos, los cuales, a su vez, pueden aumentar la disponibilidad de ciertos nutrientes 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 biocarbón (materia prima, temperatura de pirólisis, procedimiento, tiempo transcurrido entre su fabricación y su uso), el tipo y la textura del suelo, el estado actual del suelo (o su salud) y los cultivos que se producen. Los beneficios para las propiedades físicas del suelo (por ejemplo, la estructura del suelo y la capacidad de retención de agua) son mayores en los suelos arenosos (Blanco-Canqui, 2017). Las mayores respuestas positivas en el rendimiento ante el biocarbón tienden a darse en suelos ácidos, de baja fertilidad o degradados (Kittredge, 2015), como en la cuenca del Amazonas, donde siglos de prácticas indígenas que incluían el uso de biocarbón dieron origen a la terra preta.
• El biocarbón suele ser alcalino y presenta un efecto de encalado significativo relacionado con su contenido de cenizas. En ensayos cooperativos con 144 horticultores europeos, las hortalizas de las familias de las crucíferas, las cucurbitáceas y las umbelíferas (zanahoria) mostraron una respuesta de rendimiento del 25 al 30 % con el biochar a una dosis de aproximadamente 4.5 toneladas por acre, mientras que los rendimientos de las hortalizas solanáceas (tomate, papa, chile) disminuyeron aproximadamente un 15 % y los rendimientos de los guisantes, frijoles y lechuga no se vieron afectados (Schmidt y Niggli, 2015). Las tres primeras familias de plantas se beneficiaron del efecto alcalinizante y del potasio aportado por el biocarbón utilizado, mientras que las solanáceas prefieren suelos más ácidos y se vieron ligeramente perjudicadas por la alcalinidad del producto.
• El envejecimiento del biocarbón tras su producción puede ser fundamental para su eficacia (Wilson, 2014). Los procesos oxidativos que tienen lugar durante el envejecimiento del biocarbón generan cargas superficiales negativas (= CEC), favorecen la estabilización organomineral del carbono orgánico del suelo (SOC) y pueden mejorar la respuesta del rendimiento de los cultivos a las aplicaciones de biocarbón (Mia et al., 2017). El SOC y el nitrógeno orgánico del suelo aumentaron con el paso de los años tras una aplicación de 10 toneladas por acre en varios sistemas de cultivo (Aller et al., 2017).
• Las investigaciones sobre si el biocarbón puede mejorar la disponibilidad de nitrógeno y fósforo para los cultivos no son concluyentes, pero apuntan a un efecto positivo.

Retención de humedad

Algunos estudios sobre la aplicación de biocarbón en cultivos sugieren que el biocarbón presenta resultados variables en cuanto a la mejora de la retención de humedad del suelo. Esta característica del biocarbón podría mitigar los efectos de la sequía en la productividad de los cultivos en zonas propensas a la sequía. Como se señaló anteriormente, esta capacidad de retención de humedad está relacionada en gran medida con la elevada superficie específica y la porosidad del biocarbón. Existe cierta controversia, ya que la capacidad de retención de humedad depende tanto de la materia prima utilizada para producir el biocarbón como del proceso de producción específico. Estos dos factores pueden afectar la estructura porosa y superficial 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, podría seguir teniendo algún efecto positivo en la retención de la humedad del suelo, aunque esta varíe según las distintas fuentes de materia prima (Lehmann y Joseph, 2015; Shafaqat et al., 2017).

Efectos de la calcinación

En el caso de los suelos ácidos que requieren encalado, cada vez hay más evidencia de que el biocarbón puede mejorar el equilibrio del pH del suelo (Collins, 2008). Es posible que se deba aplicar una mayor cantidad de biocarbón en comparación con el encalado. Sin embargo, la sustitución de la cal por biocarbón probablemente pueda proporcionar un beneficio neto de carbono en comparación con el encalado estándar. Se desconoce cuánto tiempo dura el efecto de encalado del biocarbón en el suelo (Jeffery et al., 2015). El biocarbón parece mejorar la capacidad general de intercambio catiónico (CIC), lo que también mejoraría el equilibrio del pH y la capacidad tampón. El biocarbón podría ofrecer una forma de reducir la toxicidad ácida en los suelos relacionada con el uso a largo plazo de fertilizantes sintéticos y las prácticas de cultivo sin labranza.

Producción de bioenergía en las granjas y en la comunidad

El proceso de producción de biocarbón tiene el potencial de ampliarse a un nivel que permita producir biocarbón y bioenergía en las granjas o como parte de un proyecto de desarrollo económico de las comunidades rurales. Las granjas y los ranchos tienen la ventaja de estar cerca de varias fuentes de biomasa que serían adecuadas para la producción y el uso de biocarbón. Algunos proyectos de demostración e investigación en Estados Unidos apenas están comenzando a examinar la producción de biocarbón, pero hasta ahora se han limitado en gran medida al biocarbón de origen forestal y a la producción de combustible líquido y bioenergía eléctrica. Un estudio reciente (2017) presentó un caso práctico a escala de granja sobre la producción y utilización de biocarbón en el estado de Washington (Phillips et al., 2018). El estudio concluyó que la producción de biocarbón en la propia finca a partir de residuos de biomasa generados en ella es físicamente posible para satisfacer las necesidades de los cultivos tanto en materia de energía como de aplicación de biocarbón. Sin embargo, la producción en la finca solo proporcionó anualmente suficiente biocarbón para cubrir entre el 6,3 % y el 11,8 % de la superficie en producción. Al final de esta publicación se incluyen enlaces a otros proyectos de biocarbón.

Potencial económico del biocarbón

Existen tres fuentes de potencial económico del biocarbón para los agricultores y ganaderos: como enmienda del suelo que podría reemplazar parcialmente a los fertilizantes; como fuente de calor, bioaceite y gases para uso agrícola y ganadero; y como compensación de carbono en futuros mercados de comercio de derechos de emisión. Por ejemplo, es concebible que una granja o un rancho 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 recibir un pago por la compensación de carbono. Sin embargo, cabe señalar que es necesario resolver varias cuestiones económicas, institucionales y normativas antes de que un proyecto de este tipo pueda optimizarse por completo.

Costos y valor del biocarbón

¿Cuáles son los costos y los beneficios de la producción de biocarbón? La respuesta a esta pregunta sigue siendo un tema de investigación muy abierto. Un buen punto de partida es un estudio publicado por la Universidad Estatal de Washington, que estima un amplio rango de costos para la producción de biocarbón y bioaceite (Granatstein et al., 2009). Como se señaló anteriormente, la producción de biocarbón genera no solo carbón, sino también aceites (bioaceite) y gases que tienen un valor económico potencial. Dependiendo de la escala de producción, que va desde unidades móviles hasta unidades teóricas fijas, el estudio de la WSU sugiere un amplio rango en los costos totales de producción del biocarbón. Sin embargo, los ingresos totales estimados tanto del biocarbón como del bioaceite, restados de los costos totales estimados de producción, 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 respecto al carbón, y se estima en 114 dólares por tonelada. El bioaceite se valora en 1,06 dólares por galón, basándose en su comparación con el aceite para calefacción. En consecuencia, en este estudio no parece que la producción de biocarbón sea rentable, a menos que el bioaceite o el biocarbón puedan venderse a un precio superior a estos valores estimados.

Más recientemente, los líderes de la industria del biocarbón han señalado que este producto se vende en Estados Unidos a un precio que oscila entre los 0,12 y los 1,50 dólares por libra, o entre 240 y 3.000 dólares por tonelada (Biomass Magazine, 2017). Este amplio rango de precios se atribuye a la diversidad de los mercados del biocarbón, como su uso como enmienda para fertilizantes de jardín, en la remediación de minas y en proyectos de investigación. Además, un número cada vez mayor de empresas en Estados Unidos y en todo el mundo está suministrando biocarbón. Se estimaba 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).

Se llevó a cabo un estudio más reciente (2017) para estimar el valor económico del biocarbón para el secuestro de carbono en el estado de Massachusetts (Timmons, et al.). El estudio se basó en fuentes de biomasa forestal. Los investigadores estiman que el valor agrícola del biocarbón es de 57 dólares por tonelada, pero el costo de producción del biocarbón, una vez restado este valor agrícola, oscila entre 211 y 304 dólares por tonelada.

El estudio utilizó información real de cinco plantas de producción de biocarbón, de diferentes escalas de producción, que actualmente operan en Massachusetts. El estudio también calcula el valor agrícola del biocarbón para los agricultores de Massachusetts con base 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 centró en los aspectos económicos del secuestro de carbono mediante el biocarbón, no se evaluó el valor del biocarbón como fuente de energía. No obstante, para estos cinco métodos alternativos de producción de biocarbón, este tendría que venderse a un precio mucho mayor que su costo estimado de entre 211 y 304 dólares por tonelada. Para calcular el costo del secuestro de carbono del biocarbón se requieren estimaciones adicionales sobre el contenido de carbono del biocarbón y sobre qué porcentaje del carbono del biocarbón secuestrado en el suelo permanece «recalcitrante» o estable. En este estudio, se estima que el costo del secuestro oscila entre 83 y 119 dólares por megagrama (Mg) de dióxido de carbono (CO₂). Este costo estimado es importante, ya que implica un precio de equilibrio para la mitigación de CO₂ en un posible mercado de carbono de tipo «límite y comercio». Por lo tanto, un agricultor o ganadero podría compensar el costo del biocarbón al recibir pagos por créditos de carbono derivados de su aplicación.

En general, este estudio estima que el potencial del biocarbón para mitigar los impactos climáticos y producir energía renovable a partir de biomasa es modesto. Si toda la biomasa cosechada de manera sostenible de los bosques de Massachusetts se utilizara para la producción de biocarbón, se necesitarían aproximadamente 71 plantas de procesamiento de biocarbón para manejar el volumen producido. Sin embargo, estas 71 instalaciones solo producirían el 0,03 % del consumo de electricidad del estado en 2015 y el 3,2 % de su producción de combustible destilado en ese mismo año, y solo capturarían el 0,2 % de sus emisiones de gases de efecto invernadero de 2015. Este estudio sugiere que la contribución del biocarbón a la mitigación climática es muy limitada, en comparación con otras opciones.

Mercados de secuestro de carbono

Solo existen unos pocos mercados privados de compensación de carbono, y ninguno ha institucionalizado un mercado para las compensaciones de carbono relacionadas con el biocarbón. Además del estudio analizado anteriormente, otros estudios han estimado qué nivel de ingresos por compensación de carbono podría generarse a partir de la producción de biocarbón. Estos se basan en estimaciones de las emisiones de gases de efecto invernadero a lo largo del ciclo de vida y en las expectativas de precios futuros del carbono, que aún se desconocen. Una de las ventajas distintivas del biocarbón es que permite medir de manera relativamente sencilla el secuestro de carbono en el suelo, en comparación con otras formas de aumentar dicho secuestro.

Con la esperanza de que el biocarbón estuviera disponible para los mercados privados o públicos de secuestro de carbono, la Iniciativa Internacional del Biocarbón (IBI) intentó que el Registro Estadounidense de Carbono (ACR) reconociera el biocarbón. Sin embargo, debido a la insuficiente validación científica de la capacidad del biocarbón para mantenerse estable en los suelos, el ACR rechazó en 2015 la solicitud de la IBI. Además, otro intento de lograr que los proyectos de biocarbón en California proporcionaran créditos de carbono para el mercado de límites máximos y comercio de California también fracasó, a pesar del gran esfuerzo realizado para desarrollar un protocolo de carbono basado en el biocarbón.

Cuestiones normativas

La producción de biocarbón presenta varios retos normativos que deben superarse antes de que pueda desarrollarse una industria del biocarbón. Entre los principales retos se encuentran los siguientes:

• Aplicaciones y posible contaminación atmosférica por polvo de carbono. El biocarbón es muy ligero y se desintegra fácilmente en pequeñas partículas que pueden quedar suspendidas en el aire.
• Las normas sobre emisiones atmosféricas derivadas de la producción de biocarbón aún no se han analizado a fondo y pueden variar según el diseño del equipo de pirólisis.
• Problemas de calidad del agua relacionados con la aplicación de biocarbón en campos potencialmente erosionables.
• Contenido potencial de metales pesados en el biocarbón (dependiendo de la materia prima de biomasa) y su efecto en la salud humana y animal.

Si bien estos problemas no son insuperables, todos deberán ser investigados y es probable que aumenten los costos de la producción y el uso del biocarbón como enmienda del suelo.

Relación con el cambio climático y el secuestro de carbono en el suelo

Uno de los aspectos más prometedores de la producción combinada de biocarbón y bioenergía es que podría constituir una importante fuente de energía renovable con el potencial de mitigar significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero y frenar el cambio climático. La Figura 2 ilustra esta capacidad del biocarbón. Los porcentajes que aparecen en la figura son solo estimaciones de las posibles compensaciones de carbono atmosférico. Aún no están completamente documentados y aquí se utilizan únicamente para ilustrar el proceso.

La primera ilustración muestra el proceso de secuestro de carbono. Esta representa el ciclo natural del carbono. A medida que las plantas absorben dióxido de carbono (CO₂) de la atmósfera, parte de ese carbono se incorpora a las estructuras de las plantas mediante el proceso de la fotosíntesis, mientras que el resto se devuelve a la atmósfera en forma de CO₂ a través de la respiración. Cuando las plantas pierden hojas y ramas o mueren por completo, añaden ese carbono incorporado al suelo. Aunque la mayor parte del carbono de los residuos vegetales aéreos se libera con bastante rapidez de nuevo 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 manera más eficiente (entre un 30 y un 35 %) en carbono orgánico del suelo (SOC) secuestrado a largo plazo (Brady y Weil, 2008). A largo plazo, las cantidades relativas de CO₂ que se capturan y se liberan en un ecosistema natural están más o menos equilibradas, por lo que se dice que el proceso es neutro en carbono. Neutro en carbono significa que no hay un aporte neto de carbono a la atmósfera, aparte de lo que ocurre de manera natural. El cambio climático se debe, en parte, a las adiciones netas de carbono (carbono positivo) a la atmósfera. Estas adiciones se deben principalmente a que los seres humanos han estado quemando reservas de combustibles fósiles a base de carbono a un ritmo cada vez mayor durante los últimos 500 años. El término «carbono negativo» se refiere a la reducción neta real de carbono en la atmósfera, lo cual puede ocurrir en cualquier ecosistema natural o agrícola donde la fotosíntesis bruta supere la suma de la respiración de las plantas y del suelo (microbiana).

Figura 1. La pirólisis de la biomasa y el aprovechamiento óptimo de sus productos podrían constituir un proceso con huella de carbono negativa. Fuente: Iniciativa Internacional del Biochar

En el caso del biocarbón de la Figura 1, el proceso natural se interrumpe al capturar parte de la biomasa antes de que llegue directamente al suelo y al utilizar una parte (el 25 % en el ejemplo anterior) para la producción de bioenergía y otra parte 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 proceso que se supone neutro en carbono. La otra parte de la biomasa se convierte en biocarbón y, debido a su estabilidad documentada, puede secuestrar en el suelo todo el carbono, excepto el 5 %, que se fijó originalmente mediante la fotosíntesis (en esta ilustración). Por lo tanto, el uso del biocarbón como enmienda del suelo puede convertir a todo el proceso de pirólisis en una fuente de energía con balance neto de carbono negativo.

La capacidad de la producción combinada de biocarbón y bioenergía para ofrecer un combustible renovable con huella de carbono negativa a través de su coproducto como enmienda del suelo se ve limitada por 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 un tiempo muy prolongado y/o contribuya a la estabilización del carbono orgánico del suelo (SOC) procedente de otras fuentes (otras enmiendas orgánicas y residuos de biomasa vegetal, especialmente la biomasa radicular y los exudados radiculares). En la jerga del cambio climático, esto se refiere al tema de la permanencia. En otras palabras, sería difícil afirmar que existe un secuestro permanente de carbono si el carbono del biocarbón aplicado como enmienda del suelo se liberara 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 libera carbono de vuelta al medio ambiente muy lentamente, con tiempos de renovación que van desde varios cientos hasta miles de años (Lehmann et al., 2004). Sin embargo, el secuestro neto de carbono 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 y trigo redujeron el secuestro de carbono de los residuos de cultivos en el SOC durante un período de cinco años en ¼, ½ y 2/3, respectivamente, probablemente al estimular la descomposición de los residuos (Xinliang et al., 2018). En otro estudio, una aplicación única de biocarbón de 10 toneladas por acre aumentó el SOC total y el nitrógeno orgánico en varios sistemas de cultivo (maíz continuo, maíz-soya, maíz-soya-triticale, maíz-pastizal, pastizal continuo), y los beneficios aumentaron con el tiempo (de dos a seis años) después de la aplicación (Aller et al., 2017).

Independientemente de si cientos o miles de años significan un secuestro permanente, se trata de una liberación mucho más lenta que el secuestro de carbono en el suelo que ocurre cuando se adoptan prácticas agrícolas como la labranza de conservación como medio para mitigar el cambio climático. Por ejemplo, la labranza cero continua puede secuestrar una cantidad considerable de carbono orgánico del suelo (SOC), pero lo hace en una forma físicamente protegida dentro de los agregados cercanos a 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, algunas personas sostienen que otros enfoques para el secuestro de SOC, incluidos los sistemas de pastoreo rotativo de manejo intensivo, el uso de compost maduro y la restauración de tierras degradadas con vegetación perenne nativa, podrían ser más eficaces para lograr un sistema con balance neto de carbono negativo que la producción y el uso de biocarbón (North, 2015). Por ejemplo, aunque la aplicación de 10 toneladas por acre de biocarbón condujo a un aumento del SOC en la capa superior del suelo de 2,07 a 2,84 % a lo largo de varios años (una acumulación de aproximadamente 7,7 toneladas por acre de carbono en la capa arable), el cultivo de pasto varilla sin insumos externos elevó el SOC a 2,56 %, lo que representa un secuestro neto real de carbono de alrededor de 4,6 toneladas por acre (Aller et al., 2017).

En segundo lugar, el potencial de carbono negativo del biocarbón se ve potenciado o limitado por la eficiencia en la producción de energía y la capacidad del proceso de producción en su conjunto para reducir las emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero. Esto se debe, en parte, a la controversia existente en torno a las metodologías científicas para medir la producción de energía a partir de biomasa (PNUMA, 2009). No obstante, para comprender adecuadamente este potencial del biocarbón, es necesario realizar un análisis del ciclo de vida del mismo a fin de dar cuenta plenamente de la eficiencia energética y las emisiones de gases de efecto invernadero. El análisis del ciclo de vida es un método utilizado para evaluar los impactos ambientales asociados a un producto, proceso o actividad a lo largo de toda su vida útil, mediante la cuantificación de la energía, los recursos y las emisiones, y la evaluación de su efecto sobre el medio ambiente. Solo unos pocos investigadores han llevado a cabo este tipo de análisis para el biocarbón. Varios han concluido que el biocarbón podría dar lugar a una reducción neta de las emisiones de gases de efecto invernadero (carbono negativo) y que constituye 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 serias preocupaciones sobre los impactos netos en el ecosistema de la producción de biocarbón a gran escala (North, 2015).

El biocarbón puede ser una fuente eficiente de energía renovable. Más específicamente, un estudio estimó que la producción de biocarbón tenía entre dos y cinco veces más probabilidades de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero que si la biomasa se utilizara únicamente para la producción de energía (Gaunt y Lehmann, 2008). Es importante destacar que se estimó que la energía producida por unidad de energía ingresada (conocida como la relación energética) se encontraba en un 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 energía ingresada 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 de otros biocombustibles, como el etanol de maíz, o incluso de 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.

Figura 2. Análisis del ciclo de vida del biocarbón. Fuente: Evaluación del ciclo de vida de los sistemas de biocarbón: estimación del potencial energético, económico y en materia de cambio climático (Roberts et al., 2010). T = Energía de transporte

Por último, estos primeros resultados positivos del análisis del ciclo de vida deben someterse a una verificación más exhaustiva y a un estudio más minucioso antes de que se pueda afirmar con gran certeza que el biocarbón tiene el potencial de proporcionar energía renovable con huella de carbono negativa. Se recomienda esta cautela 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 su fertilidad. Las emisiones de óxido nitroso de los suelos representan la mayor fuente individual 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 nitrógeno de fácil disponibilidad procedente de fuentes sintéticas u orgánicas (Charles et al., 2017; Eagle et al., 2017). Si el biocarbón puede reducir las emisiones de óxido nitroso al disminuir la necesidad de fertilizantes de nitrógeno soluble y/o al reducir las emisiones de óxido nitroso del suelo mediante la mejora del ciclo y la retención de nitrógeno en el suelo, entonces la producción y aplicación de biocarbón en tierras agrícolas puede desempeñar un papel mucho más importante en la mitigación del cambio climático.

En incubaciones de laboratorio, la aplicación de biocarbón al 1 % en volumen (~10 toneladas por acre mezclado a la profundidad de arado) redujo las emisiones de N₂O de un suelo franco arenoso de Hanford (un Entisol de tierras bajas o suelo joven del Valle Central de California) en un 74 %, lo que equivale aproximadamente a la eficacia de un inhibidor de la nitrificación y un inhibidor de la ureasa que se utilizan comúnmente en el manejo convencional del nitrógeno (Cai et al., 2016). Otras investigaciones sugieren que la mayor parte de la mitigación neta de gases de efecto invernadero (GEI) a lo largo del ciclo de vida derivada del uso de biocarbón se debe al carbono estable presente en el biocarbón, y que solo una parte menor resulta de la reducción en el uso de fertilizantes nitrogenados y de las emisiones de N₂O (Roberts et al., 2010). Se necesitan más investigaciones para cuantificar mejor los beneficios netos de mitigación de GEI derivados de la mejora del ciclo del nitrógeno, la reducción de las necesidades de fertilizantes y la disminución de las emisiones de N₂O del suelo como resultado de las aplicaciones de biocarbón.

En segundo lugar, los análisis energéticos de los sistemas de cultivo —que determinan cuánta energía se invierte en 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 dosis de aplicación necesarias para garantizar su eficacia (por lo general, 10 toneladas por acre), el abastecimiento de materias primas para la pirólisis destinadas a la fabricación de biocarbón plantea serias preocupaciones ambientales. North (2015) destaca que «no existe ninguna materia prima para biocarbón producida en ningún ecosistema del planeta cuya expropiación masiva no dañe la función normal y necesaria del ciclo del carbono en ese ecosistema».

Si se mejora el trabajo en estos tres aspectos, los futuros estudios de ciclo de vida podrán medir con mayor precisión la capacidad del proceso de producción de biocarbón para generar combustible con huella de carbono negativa.

Los límites del biocarbón y el cambio climático

El biochar, como fuente potencial de energía renovable y medio para mitigar el cambio climático, depende del uso y la producción sostenibles de las fuentes de biomasa. Un tema importante que se cierne sobre toda la energía basada en la biomasa —incluido el desarrollo del biochar— es lo que comúnmente se conoce como el debate «combustible frente a alimentos». Los activistas ambientales y de derechos humanos han expresado serias preocupaciones sobre el «acaparamiento de tierras» en el Sur Global por parte de empresas de fabricación de biocarbón a escala industrial, así como para la producción directa de biocombustibles (North, 2015). Otra forma de caracterizar este debate es lo que se ha denominado el trilema de las implicaciones alimentarias, energéticas y ambientales de los biocombustibles beneficiosos y sostenibles (Tilman et al., 2009).

Este trilema está relacionado con el tema general de la sustentabilidad y con cómo maximizar múltiples objetivos al mismo tiempo. En el caso de la bioenergía beneficiosa y sustentable, el trilema se plantea de la siguiente manera:

Los biocombustibles, si se producen de manera adecuada, pueden generarse en cantidades considerables. Sin embargo, deben derivarse de materias primas producidas con emisiones de gases de efecto invernadero a lo largo de su ciclo de vida mucho más bajas que las de los combustibles fósiles tradicionales y que compitan poco o nada con la producción de alimentos. (Tilman et al., 2009)

En términos generales, ¿cómo se pueden producir biocombustibles de manera que, con el tiempo, no destruyan nuestro entorno natural y tampoco reduzcan nuestra capacidad para mantener y mejorar la seguridad alimentaria de todas las personas? Los autores que plantearon esta pregunta 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 que ya no se utilizan para la agricultura
• Parte de los residuos de cultivos procedentes de la producción agrícola, siempre y cuando una parte significativa se devuelva al suelo para mejorar su fertilidad y salud en el futuro
• Madera y residuos forestales de origen sostenible
• Cultivos dobles y sistemas de cultivos mixtos que integran cultivos alimentarios y cultivos destinados a la producción de combustible
• Residuos municipales e industriales

Los autores también señalan que el desarrollo pleno de estas reservas de biomasa debe realizarse 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 cultivos generados en la producción de alimentos no se devuelven al suelo para mantener su fertilidad y salud, esa pérdida podría compensarse con un mayor uso de fertilizantes sintéticos. Se requiere extrema precaución; por ejemplo, la remoción de los residuos de maíz en superficie (paja) puede hacer que la rotación de cultivos pase de un secuestro neto de carbono orgánico del suelo (SOC) a pérdidas netas de SOC y una mayor erosión del suelo (Blanco-Canqui et al., 2016a; 2016b), con un punto de equilibrio del SOC en torno al 30 % de remoción de paja (Andrews, 2006). La degradación del suelo por la eliminación excesiva de residuos puede requerir mayores aportes de fertilizantes, con su energía incorporada (emisiones de CO₂) y un mayor riesgo de emisiones de N₂O del suelo. Además, si las áreas dedicadas a la producción de alimentos se sustituyen por cultivos energéticos, esto puede provocar la destrucción de bosques y pastizales en otras partes del mundo para compensar la pérdida de producción de alimentos en esas áreas. Esto puede conducir a una liberación aún mayor de emisiones de gases de efecto invernadero, además de agravar la inseguridad alimentaria en muchos casos. Este último problema se conoce a menudo como la cuestión del uso indirecto de la tierra y es motivo de un debate considerable a la hora de evaluar la sostenibilidad de diversos sistemas de producción de biocombustibles. Para obtener más información, consulte el artículo «El uso de tierras de cultivo de EE. UU. para biocombustibles aumentó los gases de efecto invernadero a través de cambios en el uso de la tierra » (Searchinger et al., 2008).

Parece que se está prestando gran atención a estos temas, así como a los esfuerzos internacionales por establecer principios de sustentabilidad que sirvan para identificar fuentes de biomasa destinadas a la conversión final en biocarbón. La Iniciativa Internacional del Biocarbón (IBI) ha desarrollado un programa voluntario de certificación de biocarbón basado en su definición estandarizada de producción de biocarbón y en las pautas de pruebas para su uso en suelos. Dado que los esfuerzos relacionados con el biocarbón se dirigen en gran medida hacia la producción de bioenergía renovable con huella de carbono negativa (en lugar de simplemente combustibles con huella de carbono neutra), suele existir una comprensión inherente de estos temas entre los defensores del biocarbón. Sin embargo, el programa de certificación de la IBI no incluye el reconocimiento de los impactos de mitigación de carbono derivados del uso del biocarbón. Por lo tanto, este programa de certificación y esta etiqueta no brindan información alguna sobre la sostenibilidad de la cosecha de la biomasa utilizada en su producción.

El futuro del biocarbón para la agricultura sostenible

Cuando se utiliza como un componente más de un programa integrado para mejorar la salud del suelo, el biocarbón tiene el potencial de impulsar el desarrollo de sistemas de producción agrícola sostenibles. Podría emplearse como una posible fuente de energía renovable, como enmienda del suelo para mejorar el ciclo de nutrientes y la eficiencia en el uso de fertilizantes y, quizás lo más importante, como una forma de mitigar los impactos humanos sobre el clima. Será necesario continuar 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 su producción puede adaptarse a comunidades más pequeñas y cercanas a las fuentes de biomasa.

Es importante comprender que el biocarbón es una herramienta—un componente de los insumos dentro de un sistema holístico, sostenible u orgánico que integra la rotación de cultivos, los cultivos de cobertura, el laboreo cuidadoso y el uso prudente de insumos orgánicos, incluyendo el compost y el propio biocarbón— para promover la salud del suelo y el secuestro neto de carbono. La terra preta, ese inspirador fenómeno agrícola indígena ancestral que dio origen a la industria moderna del biocarbón, es más que carbono negro o biocarbón: es biocarbón + excrementos humanos + restos de cocina + cenizas + otros insumos orgánicos y/o prácticas aún no identificadas que, a lo largo de los siglos, transformaron los oxisoles tropicales lixiviados en suelos cuya fertilidad rivaliza con la de los mollisoles del Cinturón del Maíz. En lugar de centrarse en UN SOLO componente del fenómeno de la terra preta como si fuera una panacea, el biocarbón debe evaluarse dentro del amplio contexto del sistema integrado.

Por último, la producción y el uso del biocarbón deben evaluarse en función de sus costos ecológicos y sociales (especialmente el abastecimiento de materia prima), así como de los beneficios que aportan a la superficie receptora. Quizás la aplicación de biocarbón más ecológica sea el uso cuidadoso de las quemas controladas (cuando sea apropiado, es decir, cuando el ecosistema natural incluya incendios periódicos) para generar biocarbón in situ como parte del sistema de mejora del suelo. Los usos más adecuados desde el punto de vista sociológico podrían implicar instalaciones de pirólisis a pequeña escala, ya sea en fincas familiares o a nivel comunitario, utilizadas para procesar materias primas orgánicas de origen local que, de otra manera, no serían necesarias para mantener la salud del suelo o del ecosistema.

El biocarbón y la agricultura sostenible
Por Jeff Schahczenski
Economista especializado en agricultura y recursos naturales del NCAT
Publicado en 2010
Actualizado en enero de 2018
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Esta publicación ha sido elaborada por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en el marco de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del USDA.