Biochar: una agricultura para hacer frente a las emisiones

• El uso de biocarbón está creciendo rápidamente debido a su potencial para la producción sostenible de productos agrícolas, así como sus novedosas aplicaciones en diversas áreas.
• La materia leñosa y seca, incluyendo los desechos agrícolas como paja y cáscaras de frutos secos y cereales, son ideales para la producción de biocarbón.
• Según investigaciones recientes, la adición de biocarbón al 10 % de las tierras de cultivo del mundo podría capturar 29.000 millones de toneladas equivalentes de CO₂.
• Dados los numerosos usos del biocarbón más allá de la agricultura, se espera que su demanda crezca exponencialmente en los próximos años.
• En los últimos años, la popularidad del biochar o biocarbón ha aumentado debido a sus numerosos beneficios medioambientales y para la productividad agrícola, entre otras novedosas aplicaciones. 

En 2006, China implementó un plan para restaurar tierras con biocarbón, destacando su valor como componente rico en carbono derivado de desechos agrícolas. 

La creciente conciencia sobre la necesidad de prácticas agrícolas sostenibles ha impulsado el uso de biochar

A escala mundial, los desechos agrícolas y residuos vegetales, conocidos como biomasa vegetal, representan un problema significativo para el medio ambiente. Tradicionalmente, estos residuos se queman después de la cosecha, generando gases de efecto invernadero (GEI) y contaminantes tóxicos.

Las diversas formas de biomasa utilizadas para la producción de biocarbón incluyen residuos agrícolas y agroindustriales, convirtiéndolo en un método económico y eficiente para la gestión de residuos. 

El proyecto Biochar for Sustainable Soils (B4SS), financiado por el Fondo para el Medio Ambiente Mundial (GEF) y ejecutado por Starfish Initiatives bajo la implementación del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UNEP), busca promover la adopción de prácticas de gestión sostenible de la tierra utilizando biocarbón. Este proyecto, que se desarrolla en China, Etiopía, Kenia, Perú y Vietnam, se centra en la demostración de campo, capacitación y extensión para compartir conocimientos sobre el uso del biocarbón en la mejora de suelos. 

Obtención del biochar

El biocarbón se obtiene al calentar estos residuos en un recipiente hermético con restricción de oxígeno. La materia leñosa y seca, como la paja, las cáscaras y los frutos secos, son ideales para este proceso.

Agricultores e investigadores ven en el biochar una oportunidad para mejorar la eficiencia de los cultivos, reducir la dependencia de fertilizantes químicos y fomentar la economía circular.

Esta fuente de energía renovable es versátil, capaz de producir calor, electricidad y biocombustibles líquidos

Existen varios procesos de conversión térmica, química y biológica, como la digestión anaeróbica y la gasificación, que permiten el uso de recursos de bajo valor para producir bienes valiosos. La pirólisis juega un papel importante en su obtención, y las diferentes temperaturas empleadas en el proceso determinarán los usos finales del biochar.

Por ejemplo, el biochar a 400-450 °C, posee una mayor concentración de grupos funcionales oxigenados, mejorando la germinación y el crecimiento de microorganismos, y aumentando la capacidad de retención de agua en comparación con biocarbones producidos a temperaturas superiores a 450 °C. 

La producción de biocarbón depende de tres factores: 

• Proceso de fabricación: metodología y temperatura empleada.
• Tipos de biomasa: cascarilla de arroz, desechos de alimentos, subproductos animales y otros residuos sólidos.
• Tecnología de fabricación: pirólisis, carbonización térmica y gasificación.

Panorama del mercado global y tendencias

El Informe Global del Mercado de Biocarbón 2023, lanzado por la Iniciativa Internacional de Biocarbón (IBI) y la Iniciativa de Biocarbón de EEUU (USBI), destaca un crecimiento anual compuesto del 91 % de 2021 a 2023. Este revela un fuerte optimismo en la industria, proyectando ingresos de casi 3.300 millones de dólares para 2025, desde los 600 millones de 2023.

El biochar, derivado de materiales orgánicos, se ha convertido en una tecnología líder para la eliminación de dióxido de carbono (CDR), con el potencial de eliminar hasta el 6 % de las emisiones globales anuales

Algunas aplicaciones novedosas del biochar

- Nanobiocarbón

El nanobiocarbón ha atraído una creciente atención debido a sus propiedades ambientales únicas. Su estructura amorfa posee anillos aromáticos condensados a escala nanométrica con superficies polares y no polares. 

Las propiedades superficiales del biocarbón, como la hidrofobicidad/hidrofilia, el volumen de poros, el área superficial y la carga superficial pueden mejorarse, lo que resulta en una mayor biodegradación de contaminantes orgánicos.

Su tamaño nanométrico y abundancia de grupos funcionales, junto con su estabilidad mecánica y térmica mejorada, lo hacen deseable y distintivo. 

Las partículas de nanobiocarbón tienen una mayor capacidad de adsorción en comparación con el biochar convencional

- Compuesto hidrogel-biocarbón

El hidrogel es un material superabsorbente que puede absorber y almacenar agua hasta miles de veces su peso dentro de su estructura polimérica reticulada. Combinado con otros polímeros, se pueden crear compuestos de hidrogel y biochar. 

Los compuestos de hidrogel-biocarbón son adsorbentes alternativos para gases nocivos y metales pesados. Optimizar su eficiencia de adsorción requiere comprender los mecanismos y procesos de eliminación de diferentes contaminantes.

La mayoría de los adsorbentes de hidrogel se forman mediante interacciones que crean una red tridimensional. Los compuestos de biocarbón-hidrogel han demostrado capacidades significativas para la degradación de contaminantes orgánicos en la purificación de gases y el tratamiento de efluentes. 

- Almacenamiento de energía

El almacenamiento de energía es crucial para favorecer las necesidades de la electrificación de algunas actividades claves. Los supercapacitores son dispositivos de almacenamiento de energía que destacan por su capacidad de carga y descarga rápida, alta densidad de potencia y larga vida útil. 

En contraste, las baterías recargables tienen una alta densidad de energía pero una baja velocidad de carga/descarga. Las baterías de iones de litio también se utilizan para almacenar energía, donde los electrolitos determinan el rendimiento del sistema de almacenamiento de energía. 

Materiales como los nanotubos de carbono, el carbono activado y el grafeno son ampliamente utilizados como materiales de electrodos, pero su alto costo limita su uso.

En este contexto, el biocarbón como material de electrodo para celdas de combustible microbianas y supercapacitores está atrayendo interés. Gracias a su porosidad y química de superficie fácilmente ajustables, los materiales funcionales a base de biochar tienen grandes beneficios en aplicaciones de almacenamiento y conversión de energía.

- Detoxificación de pesticidas

El biocarbón puede influir significativamente en la movilidad y reactividad de los pesticidas en suelos y sedimentos al proporcionar sitios de sorción y unión para las moléculas de pesticidas. 

La tecnología de biochar puede prevenir la contaminación del agua al atrapar pesticidas hidrofóbicos, fungicidas y herbicidas, impidiendo su movimiento hacia las aguas subterráneas.

Adicionalmente, se ha observado que el biocarbón puede reducir la bioaccesibilidad de pesticidas como el atrazina, clorpirifos y glifosato en el suelo, mejorando su sorción y disminuyendo su degradación. 

- Mejora fisiológica y alivio del estrés por sequía salina

El biocarbón puede mitigar los efectos perjudiciales del estrés salino y de sequía en las plantas, al fortalecer la mineralogía biológica y física del suelo, mejorando su capacidad para retener humedad durante períodos de sequía. 

En condiciones de estrés salino, el biochar aumenta la absorción de potasio (K+) y disminuye la absorción de sodio (Na+) por parte de los cultivos. Esto es crucial, ya que la acumulación de iones de sodio en los tejidos vegetales puede causar un desequilibrio severo en el crecimiento y desarrollo de las plantas.

El biocarbón mejora la fotosíntesis, las características de oxigenación y la absorción de nutrientes en plantas sometidas a estrés por sequía y salinidad

Adicionalmente, el biochar fomenta la respuesta antioxidante en los cultivos, aumentando la actividad enzimática antioxidante en diferentes especies, lo que mejora los mecanismos de defensa de las plantas. Además, reduce la absorción de nutrientes en suelos sódicos y promueve el crecimiento de las raíces, especialmente cuando se usa biochar alcalino en lugar de ácido.

- Impulsa el crecimiento animal 

La ingesta de biochar contribuye para promover el metabolismo y la digestión de nutrientes en rumiantes, mejorando así el desarrollo de los animales. 

La biomasa de heno de grano reduce la deposición de grasa abdominal y el colesterol sérico total en pollos, al tiempo que aumenta las actividades de crecimiento. Además, añadir un 1 % de biocarbón a los ingredientes del alimento mejora la función inmunológica y las cualidades anti-estrés de los cerdos.

En último lugar, el polvo de biocarbón en la dieta promueve el desarrollo de los lechones cuando se utiliza como ingrediente del alimento y el aumento de peso en patos. 

Casos de éxito

- Smallops

La empresa española Smallops produce nanopartículas de hierro encapsuladas en carbono, llamadas OPS a partir del alpechín, un residuo de la producción de aceite de oliva. La compañía emplea la carbonización hidrotermal (HTC) para la valorización de residuos orgánicos produciendo biochar o solución orgánica (hydrochar).

Estas nanopartículas tienen una superficie de 190 m²/g, un tamaño de partícula de 150 nm ± 50 nm, 2,5 % de Fe0 y 44,5 % de Fe total. 

Este producto es viable para diversas aplicaciones industriales, como la mejora de procesos de digestión anaerobia, tratamiento de aguas y corrientes gaseosas, productos agronómicos como bioestimulantes y bioremediadores, y la fabricación de nuevos materiales, incluidos electrodos para pilas de combustible y materiales de construcción y cerámica.

- TNO

La empresa holandesa TNO ha desarrollado la metodología EnerChar para producir biochar a gran escala con diversas propiedades y generar calor mientras captura CO₂. Esta tecnología multiuso gasifica biomasa de residuos de la industria alimentaria y forestal, ofreciendo una alternativa limpia al carbono fósil y contribuyendo a la reducción de emisiones de CO₂.

La empresa utiliza residuos de jardinería, silvicultura e industria alimentaria para gasificar y producir biocarbono. 

Según TNO alguna de las aplicaciones potenciales serían:

• Producción de acero verde: Utilización de grandes cantidades de biochar para reducir el carbono fósil en la producción de acero.
• Baterías: Producción de bio-grafito como alternativa sostenible al grafito natural utilizado en ánodos de baterías.
• Horticultura: Sustitución de la turba en el sustrato de plantas con biocarbono, contribuyendo a la gestión de CO₂ y ofreciendo emisiones negativas.

Ensayos recientes han demostrado que el biochar puede reemplazar entre el 30 % y el 50 % de la turba en sustratos para plantas, permitiendo la captura de CO₂ en el suelo y contribuyendo a la reducción de emisiones.

Si quieres saber más...

1. Plataforma Tierra. https://www.plataformatierra.es/innovacion/biochar-oro-negro-agricultura-sostenible
2. Plataforma Tierra. https://www.plataformatierra.es/innovacion/biomasa-factor-convertir-bioenergia-actor-decisivo
3. Plataforma Tierra. https://www.plataformatierra.es/innovacion/marvic-proyecto-europeo-diseno-sistemas-monitorizacion-secuestro-carbono

Bibliografía

1. Chen, W., Meng, J., Han, X., Lan, Y., & Zhang, W. (2019). Past, present, and future of biochar. Biochar. Disponible en: https://link.springer.com/article/10.1007/s42773-019-00008-3

2. Schmidt, H. P., Hagemann, N., Draper, K., & Kammann, C. (2019). The use of biochar in animal feeding. PeerJ. Disponible en: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6679646/ 

3. Das, S. K., Ghosh, G. K., & Avasthe, R. (2021). Applications of biomass derived biochar in modern science and technology. Environmental Technology & Innovation. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352186420316060 
4. Amalina, I. F., Haziq, J. M., Syukor, A. A., Ridwan, A. A., & Rashid, A. M. (2021). Study of palm acid oil (pao) from sludge palm oil mill effluent (pome) as goat’s feed. Materials Today: Proceedings. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221478532039982X