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Energía de la biomasa: tipos de biomasa y su aprovechamiento energético (página 2)




Partes: 1, 2, 3


Cuando se piensa en las energías alternativas para sustituir a los combustibles de origen fósil, generalmente lo primero que se tiene en cuenta es la posibilidad de utilizar la energía solar, ya que la cantidad total de energía que recibe la Tierra procedente del Sol supera en mas de 10000 veces la demanda energética total de la Humanidad.

Si bien esta cantidad de energía solar es considerable, se observa que su dispersión es muy alta, con lo que el principal problema a resolver, si se quiere utilizar la energía solar, es establecer sistemas que la concentren y transformen en otro tipo que sea de fácil utilización para la actividad humana.

Hasta ahora la mayoría de los sistemas desarrollados por el hombre con este fin, si bien han representado un notable esfuerzo investigador, adolecen de la falta de unas perspectivas económicamente rentables para aprovechar la energía solar en forma masiva. Precisamente por esto se esta intentando volver al modelo básico ya citado de captación y acumulación de energía solar, seleccionado por la Naturaleza a lo largo de un proceso evolutivo de 3000 millones de años, manteniendo la vida en la Tierra hasta nuestros días: la fijación de la energía solar por las plantas verdes.

Esta forma de energía es la única fuente renovable que se almacena automáticamente, lo que distingue de la energía solar directa, la eólica u otras que han de concentrarse y almacenarse artificialmente, a menudo con no pocas dificultades. Así pues, la materia orgánica constituye energía solar almacenada. Se llamara a partir de ahora "energía de la biomasa" y es precisamente la que se libera cuando se quema madera y la que proporciona alimento a los animales y al hombre.

  • Origen de la Biomasa: La Fotosíntesis.

La energía que puede obtenerse a partir de la biomasa proviene del sol, que gracias al proceso de la fotosíntesis, es aprovechada por las plantas verdes a través de reacciones químicas en las células vivas, para tomar dióxido de carbono del aire y transformarlo en sustancias orgánicas, según una reacción del tipo:

Monografias.comMonografias.com [1.1]

La energía solar se transforma entonces en energía química, que se acumula en los enlaces de los diferentes compuestos orgánicos (polisacáridos, grasas, etc.) y es incorporada y transformada por el reino animal, incluido el hombre. También los animales pueden servir como un paso intermedio para la transmisión de energía a otros animales (carnívoros).

Situándonos a nivel de los vegetales para comprender como se forma la materia orgánica. Las plantas, que convierten la energía solar, constituyen verdaderas fábricas silenciosas que trabajan utilizando un mecanismo electroquímico para producir la biomasa, resultado de una operación inicial de captación de la energía solar que les permite obtener, fijar y almacenar al carbono contenido en el gas carbónico del aire. Estas fábricas, situadas preferentemente en el campo, muy descentralizadas, cubren las dos terceras partes de la superficie emergida de nuestro planeta. No debe olvidarse también, la gran producción de biomasa acuática que tiene lugar mediante el mismo fenómeno.

La originalidad de este proceso es que "toma prestadas" del medio ambiente natural la energía (fotones de luz) y las materias primas consumidas (carbono, hidrógeno, nitrógeno, potasio y fósforo). Estos materiales son, en general, renovables salvo cuando, para mejorar la eficacia del proceso, se recurre a cultivos industriales que impliquen el aporte de energía fósil (por ejemplo, invernaderos calentados por gas-oil) y el aporte de materia orgánica (compost) o inorgánica (fertilizantes) al terreno de cultivo.

En cuanto a los "equipos" empleados por la planta, se trata de materiales internos sintetizados "in situ": pigmentos captadores de fotones, aceptores de hidrógeno, portadores de electrones, acumuladores de energía química, etc.

La acción de construir un "edificio ordenado" (de macromoléculas de glucosa, principalmente) a partir de elementos suministrados en "desorden" por la naturaleza (carbono, hidrógeno, oxígeno) exige, de acuerdo a las leyes de la termodinámica, cantidades muy importante de energía (673 kcal/mol de glucosa obtenida) de las cuales, la mayor parte es "desechada" a la atmósfera. Pero, a pesar de que el rendimiento termodinámico de la fotosíntesis es realmente bajo, la operación resulta "rentable", debido a la gratuidad de la energía solar y de la "utilidad" de los productos finales (principalmente alimentos).

De hecho, estas reacciones son más o menos completas en función de ciertos factores limitantes, entre otros, la intensidad luminosa, la presión parcial del dióxido de carbono, la temperatura y la disponibilidad de agua. Otro factor de variación de los rendimientos de la fotosíntesis es el "equipo" de pigmentos y enzimas de las diferentes especies vegetales, lo que explica la composición variable de los tejidos vegetales en azúcares y proteínas, en materias celulósicas o en lignina.

Los componentes principales de la biomasa (hidratos de carbono, lípidos y prótidos), se encuentran en una proporción relativa variable según la naturaleza de dicha biomasa.

En general, en los vegetales la materia orgánica está constituida en su mayoría por hidratos de carbono, principalmente en forma de compuestos lignocelulósicos, o amiláceos, o en menor grado por lípidos y compuestos orgánicos nitrogenados (proteínas principalmente).

Las moléculas básicas, formadas en el proceso fotosintético de formación de los diferentes tipos de compuestos orgánicos, son los carbohidratos, aunque también se forman proteínas y grasas, siendo el rendimiento energético medio que se puede establecer para la formación de cada uno de los principales grupos de compuestos el siguiente:

Proteínas

55%

Grasas

77%

Carbohidratos

97%

Esto quiere decir que los compuestos que se producen con menor eficacia energética son las proteínas y los que lo hacen con mayor son los carbohidratos. Por otra parte, se sabe que los compuestos proteicos tienen un valor económico bastante más elevado que la biomasa hidrocarbonada, aunque los contenidos calóricos sean similares.

  • La eficacia del proceso fotosintético.

En todo proceso de conversión energética un importante factor a considerar es el rendimiento con que este tiene lugar, o sea, la fracción del total de energía incidente (energía solar) que queda convertida en la forma de energía de interés (energía de la biomasa).

Teniendo en cuenta las ecuaciones que gobiernan la fotosíntesis, se puede obtener el valor teórico del rendimiento fotosintético, que resulta ser, aproximadamente, de un 30%. Ahora bien, del total de la radiación solar que llega a la Tierra, solo algo mas del 40% es fotosintéticamente activa. Además, solo el 70% de esta es absorbida por las hojas, ya que el resto suele ser reflejada, con lo cual, la eficacia máxima teórica de este proceso será alrededor de:

Eficacia máxima teórica = (0.3 x 0.4 x 0.7) x 100 ( 8%

Ahora bien, en todas las plantas se producen perdidas de energía debidas a la respiración del vegetal (estimadas en cerca de un 40%) lo que lleva a que el rendimiento máximo teórico de transformación de la energía solar en la biomasa no llega al 5%.

Monografias.com

Figura 1. 1 Eficacia de la conversión de la energía solar a biomasa.

No obstante todo lo expuesto hasta ahora, la realidad es que los valores mas altos que se encuentran de hecho en condiciones optimas de campo son del orden del 3%. Y a menudo estas cifras corresponden a periodos cortos de crecimiento y cuando se derivan los valores medios para el año completo, se encuentran valores del orden del 1% como media para el caso de plantas de cosecha anual.

Podemos hacernos un cuestionamiento a todas luces lógico, sería rentable un proceso que solo tiene un rendimiento real de un 1%?

Aunque el rendimiento del proceso fotosintético pueda parecer bajo, se ha de considerar que los sistemas vivos que captan y convierten la energía solar se encuentran, como ya se ha dicho anteriormente, ampliamente distribuidos sobre tierras y agua del planeta, cubriendo una enorme superficie y representando, pues, el único tipo de colector solar que, hoy por hoy, esta repartido por toda la Tierra, operando a gran escala.

El que la superficie colectora sea tan extensa determina que, pese a la baja eficacia, la cantidad de energía almacenada anualmente por fotosíntesis sea inmensa; de hecho, unas 10 veces masque el total de energía que consume actualmente la Humanidad. Otro dato interesante a tener en cuenta a este respecto, es que el contenido energético de las reservas de biomasa que se encuentran acumuladas en la biosfera, es aproximadamente equivalente a la almacenada en las reservas comprobadas de combustibles fósiles.

Tipos de Biomasa

Superficie ocupada

(106 km2)

Producción total

(109 Tm/año)

Equivalente energético

(1020 J)

Biomasa acuática

Bosques

Prados y estepas

Desiertos y tundras

Cultivos agrícolas

 

Total

365

57

24

50

14

 

510

70

85

25

5

15

 

200

10

15

3

0.5

1.5

 

30

Tabla 1.1 Producción mundial de biomasa vegetal.

  • La Biomasa y sus formas.

Como se ha visto hasta ahora, como consecuencia de la actividad fotosintética de los vegetales, se forma una masa viviente que hemos denominado "biomasa". Sin embargo es transformada posteriormente en los distintos niveles de seres vivos que conocemos. Por tanto se puede hablar de "biomasa vegetal" cuando ésta se produce directamente como consecuencia de la fotosíntesis, mientras que aquella biomasa que producen los seres que no son capaces de elaborar los productos químicos solo con la ayuda de la energía solar, es decir, que utilizan en su alimentación la biomasa vegetal, la podríamos denominar "biomasa animal".

Existen disimiles aspectos que pueden servirnos para clasificar la Biomasa en sus diversas formas. La mas general la acabamos de mostrar. A continuación diversas maneras de hacerlo.

Según el compuesto o grupo de compuestos preponderantes en la biomasa vegetal, ésta recibe diversos calificativos. Por ser los hidratos de carbono los compuestos más abundantes de la biomasa vegetal, la designación del tipo de biomasa se realiza principalmente atendiendo a la forma en que se encuentran prioritariamente estos compuestos. Así se tiene:

  • ? Biomasa lignocelulósica: aquella donde predominan las celulosas de hemicelulosas, holocelulosa y lignina.

  • ? Biomasa amilácea: aquella en que los hidratos de carbono predominantes se encuentran en forma de polisacáridos de reserva tales como almidón o inulina.

  • ? Biomasa azucarada: aquella cuyo principal componente hidrocarbonado está constituido por azúcares, ya sean monosacáridos (glucosa o fructuosa principalmente) o disacáridos tales como la sacarosa.

  • ? Biomasa energética: incluye los materiales de origen biológico que no pueden ser empleados con fines alimenticios o industriales.

De acuerdo con esto, todos los productos agrarios empleados para la alimentación humana y animal, así como los combustibles fósiles (que han sufrido un profundo cambio estructural en su primitiva estructura biológica), están excluidos del término "Biomasa".

El hombre también transforma la materia de las plantas por procedimientos artificiales para obtener bienes de consumo (alimentos, muebles, etc.). Todo este proceso da lugar a elementos utilizables directamente o como materia prima, pero también a subproductos que, tienen la posibilidad de encontrar aplicación en el campo energético.

En dependencia de si la biomasa ha sido sometida a transformaciones realizadas por el hombre o no, se puede dividir en:

a) Biomasa natural. Se produce en ecosistemas naturales. La explotación intensiva de este recurso no es compatible con la protección del medio ambiente.

b) Biomasa residual. Es la biomasa originada como residuo al emplearse ésta con otros fines, incluye:

  • ? Residuos forestales y agrícolas.

  • ? Residuos de industrias forestales y agrícolas.

  • ? Residuos sólidos urbanos.

  • ? Residuos biodegradables, con altos contenidos de humedad (efluentes ganaderos, lodos de depuradoras, aguas residuales urbanas, etc.)

  • c)  Cultivos energéticos. Son los cultivos vegetales realizados con el único objetivo de ser aprovechados energéticamente. Se caracterizan por la gran producción de materia viva por unidad de tiempo y con el condicionante de minimizar los cuidados al cultivo.

d) Excedentes agrícolas. Son los excedentes agrícolas que no se emplean en la alimentación humana, que pueden ser considerados como biomasa y pueden aprovecharse para, por ejemplo, la elaboración de biocombustibles líquidos.

  • Ventajas e inconvenientes de la utilización de la biomasa.

a.- Ventajas.

La biomasa como fuente portadora de energía, con todas sus características peculiares, presenta varios rasgos que la hacen atractiva para su empleo, comparándola con los combustibles fósiles tradicionales.

A continuación se intentará brindar una idea de las ventajas que tiene la biomasa con relación a los demás combustibles.

  • Energía Renovable.

Es una fuente inagotable en cuanto proviene de la energía solar en su totalidad. Lo que confiere la garantía de disponibilidad constante y segura del combustible.

  • Aprovechamiento completo.

Ya sea de una forma u otra, con un método u otro de aprovechamiento o transformación (proceso físico, químico, termoquímico, biológico), cualquier tipo de biomasa (sólida o líquida) se puede aprovechar completamente hasta este momento. Existen tantas tecnologías y procesos de transformación que pueden satisfacer todas las exigencias y necesidades domésticas y de la industria.

  • No requiere nuevas tecnologías.

La biomasa fue el primer combustible que usó el hombre en la búsqueda de mejorar sus condiciones de vida. Existen numerosas tecnologías que permite su transformación y aprovechamiento; desde las más simples que no requieren grandes inversiones ni recientes adelantos tecnológicos, hasta sistemas ideados para y con actualizadas tecnologías punta.

Como fuente de energía alternativa en la actualidad, con un futuro previsible y obligado en la escena energética mundial, cobra fuerza para los países subdesarrollados sin la acusiante necesidad de disponer de avanzadas tecnologías y recientes adelantos tecnológicos.

  • Reduce el deterioro medioambiental.

Es conocido que el origen inicial de los compuestos orgánicos oxidados en los procesos de aprovechamiento de la energía contenida en la biomasa, se debe a la captación de la energía del sol por las plantas; y que la base de todo el proceso fotosintético y de producción de dichos compuestos es la fijación del dióxido de carbono disponible en el aire y el desprendimiento de oxígeno, aportándolo a la atmósfera y enriqueciéndola de esta manera en este componente. Todo este fenómeno trae como consecuencia que el dióxido de carbono que se desprende en los procesos de aprovechamiento de los materiales biomásicos no aumenta los niveles de esta sustancia que fue absorbida con anterioridad, sino que envía a la atmósfera una sustancia que fue extraída de ésta; de esta forma se puede decir que el balance de CO2 se cierra.

Incluso, si se realiza un buen análisis y un exhaustivo estudio, se puede comenzar a disminuir la cantidad de CO2 presente en la atmósfera, si el balance de este compuesto es negativo, de manera que las plantas absorban más CO2 que el que se llegase a producir por la generación de energía a partir de los distintos combustibles, biomásicos o no.

Esta característica tan ventajosa e única de la biomasa, y de las energías renovables en general, es muy importante por lo mucho que aporta al cuidado y preservación del medio ambiente.

  • Proporciona puestos de trabajo.

Según cálculos realizados por varios organismos internacionales y de diversos países, el uso y explotación de las fuentes renovables de energía, la biomasa en específico, intensifica la creación de empleo con relación a las fuentes energéticas tradicionales. Ya se ha dado como un dato, anteriormente, que por cada 1.000 tep generadas a partir de las fuentes renovables de energía se crean 4,6 puestos de trabajo, 3,3 más que con las fuentes tradicionales de energía.

Esta característica es muy importante tenerla en cuenta en un mundo, sobretodo en los países desarrollados, donde se han generado elevadas tasas de desempleo que tanto malestar está creando en la parte de la sociedad aquejada por este mal, y tantos problemas económicos trae para toda la sociedad actual.

  • Ahorra divisas y disminuye la dependencia energética del exterior.

Con la garantía de poder disponer del combustible autóctono, según los planes y políticas de las administraciones, se reduce la dependencia energética con relación a las fuentes de energías que no son propias y que siempre están sometidas a los vaivenes del mercado internacional. Al cultivar y explotar la biomasa en su territorio, el país está tendiendo a mejorar y equilibrar la balanza comercial al tener asegurado el abastecimiento de la fuente energética en sí mismo, sin tener que estar supeditado al exterior. Cuestión esta muy importante para tantos países en la actualidad, sobretodo los países subdesarrollados, en primer lugar Cuba, donde no se debe olvidar el bloqueo económico y energético al que actualmente está sometida y la alta repercusión que en su desarrollo industrial tiene.

b.- Inconvenientes.

Como es lógico, no todas van a ser ventajas para la biomasa, en comparación con los combustibles fósiles, por lo que también habrá algún inconveniente.

Para analizar los inconvenientes propios de la biomasa se deberían tener en cuenta los diferentes tipos de biomasa. No obstante, dado el objetivo de este trabajo de tesis, nos centraremos en la denominada biomasa vegetal, tanto la que se produce mediante cultivos energéticos como la que se genera como residuo del aprovechamiento de la biomasa vegetal alimentaria o industrial.

  • *  Dispersión.

Para disponer de las cantidades de energías suficientes para cumplir ciertos objetivos, o simplemente para aprovechar toda la producción de un cultivo determinado o de la producción residual de cierta industria hacen falta grandes volúmenes de biomasa vegetal, por ende amplias plantaciones y extensas superficies de tierra. Además de que seguramente se tendrá la necesidad de disponer de distintos tipos de biomasa vegetal para obtener, mediante su mezclado, los requerimientos energéticos básicos. Esta característica es muy difícil de contrarrestar dada las peculiaridades de la biomasa vegetal. Otros tipos de biomasa residual como la industrial, agroganadera, etc., no tienen este inconveniente, estando concentrado en las zonas de producción y facilitándose su consumo "in situ".

Debe tenerse en cuenta para comprender mejor este inconveniente de la biomasa vegetal su baja densidad, lo que junto a esta posible dispersión, hace que en muchos casos no sea rentable se aprovechamiento energético, fundamentalmente, por los costos en transporte.

  • Producción estacional.

Dada la variedad de cultivos que presenta la biomasa vegetal, en sus diferentes formas, es obvio la disponibilidad de la materia prima de manera estacional (en época de recolección).

En este acápite es importante poder disponer de tecnologías de aprovechamiento energético de la biomasa capaces de utilizar indistintamente diferentes tipos de biocombustibles sin grandes diferencias en el rendimiento energético. Además de lo que se podría alcanzar en materia de almacenamiento y obtención de nuevas especies más resistentes o con nuevas cualidades, a partir de la ingeniería genética y la biotecnología.

Una forma de absorber este inconveniente en las instalaciones de obtención de energía a partir de biomasa vegetal es mediante la instalación de varias tolvas de alimentación al combustor, que mezclando la proporción adecuada de cada tipo de biomasa disponible en cada estación del año, permita mantener estable la potencia térmica del sistema.

  • Baja densidad energética.

Es una de sus características físicas más importantes de la biomasa y que influye en el diseño de las instalaciones para su aprovechamiento y en el transporte de la materia prima, pudiendo llegara ser el factor que la haga no competitiva comparada con otros tipos de combustibles.

Existen varios procesos para intentar resolver este acápite en caso de que sea el factor decisivo. Todos los procesos se basan en la compactación de la biomasa, como por ejemplo, el briqueteado, el pelletizado, etc. Estos presentan también el inconveniente de aumentar los costos del combustible final; por tanto el análisis económico dará luz sobre la viabilidad del empleo de este tipo de procesos de densificación de la biomasa.

  • Necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización.

Hay casos en los que es imprescindible aplicar ciertos tratamientos a la biomasa, acondicionarla y transformarla de manera que esté en condiciones de que sea factible su uso. Procesos como el molido, el tamizado, el secado, etc., suelen ser necesarios, aumentando en algunos casos los costos de operación a la instalación, si bien en otros es rentable su empleo como es el caso del secado mediante el calor sensible de los humos de un proceso de combustión.

Muchas veces es imposible obviar alguno de los procesos de acondicionamiento de la biomasa, por lo que el estudio económico dirá cual y hasta que punto es rentable asumirlos.

  • Costo de recolección, transporte y almacenamiento.

Esta peculiaridad es como un compendio de varias de las anteriores que redundan en el aumento de los costos de operación al emplear una instalación que funcione con material biomásico.

El hecho de proceder la biomasa vegetal, en la mayoría de los casos, de cultivos o en otros de materiales residuales, ya sean en la cosecha, ya sea en el mismo proceso industrial, implica tener la necesidad de recoger, recolectar e incluso cosechar para lograr acopiar las cantidades suficientes de combustible, esto hace que los costos por concepto de recolección aumenten con relación a otras fuentes de energía cuando se trata +de cultivos energéticos y sean nulos cuando son cultivos alimentarios o procesos industriales los que generan la biomasa.

La baja densidad lleva a que el costo por transporte aumente, ya que hay que gastar más para lograr el mismo suministro energético que con otro tipo de combustibles. Si se quiere aliviar este problema, se puede hacer aumentando la densidad de la biomasa, en ciertos casos esta etapa de compactación de la biomasa puede mayores gastos por conceptos de utilización de procesos de compactación que siempre son consumidores de energía, y llegar a hacer prohibitiva su utilización como fuente de energía.

En cuanto al almacenamiento, dada las características antes mencionadas, fundamentalmente, la estacionalidad y su baja densidad, hay que destinar un amplio espacio para poder mantener almacenado el combustible a emplear durante el período de consumo.

Todas estas cuestiones se deben analizar detallada y comparativamente para cada una de las instalaciones, asumiendo distintas variantes y posibilidades en aras de encontrar cual es el modelo más económico y que garantice la rentabilidad de la instalación.

Los Residuos como fuente de Energía.

  • Introducción.

En la actualidad, y con el desarrollo de las civilizaciones industrial y post-industrial, los residuos aparecen cada vez con mayor pujanza en la vida diaria del hombre. Así, a medida que la sociedad avanza y obtiene mayores objetivos de producción y de renta, los residuos pueden llegar a ser, como de hecho ya sucede, un problema creciente por su magnitud y sus consecuencias. Por todo ello, la lucha contra la contaminación, la protección del entorno físico y la defensa del medio ambiente se están convirtiendo en aspectos fundamentales a tener en cuenta en la política de los países que pretenden el bienestar de sus habitantes.

Es de sobra conocido el hecho de que se producen diariamente ingentes cantidades de desperdicios, tanto en las ciudades como en las zonas rurales. Teniendo en cuenta que la mayor parte de estos residuos son de carácter orgánico y constituyen la denominada "Biomasa Residual", se puede llegar a comprender el hecho de que estas grandes cantidades de residuos, que no se aprovechan y que contaminan el ambiente, puedan constituir un enorme potencial para la producción de energía. La Biomasa residual ofrece, pues, unas perspectivas muy amplias de aprovechamiento, ya que se produce de forma continua y creciente como consecuencia de la actividad humana y su eliminación esta constituyendo ya un importante problema.

Esta Biomasa residual presenta un inmenso potencial si se revisan algunas cifras. Si se considera de forma conjunta toda la actividad humana, se puede estimar aproximadamente que se producen unas 2 t de residuos de todo tipo por habitante y año, con un poder energético de unos 9000 kWh al año, equivalente a unos 800 l de gasolina. Por otro lado, y con respecto a las basuras urbanas, es de destacar que cerca de la mitad de su peso esta constituido por materia orgánica, y su producción media por habitante y año oscila entre los 600 y 800 kg, con un valor energético de unos 2500 kWh/año. Obsérvese que una familia media, en los países desarrollados, gasta al año solo en electricidad unos 3000 kWh.

A todas luces, el tratamiento de la Biomasa residual deviene una gran reserva de fuente de energía, que empleada convenientemente, debe aportar varias ventajas al esquema energético de cualquier país. A continuación se citan algunos ejemplos:

  • Los residuos forman parte de un tipo de Biomasa que ya existe (no hay que producirla) y cuya eliminación es un problema grave y de solución costosa.

  • En muchos casos, la biomasa residual esta concentrada en lugares determinados (basureros) por lo que, si se utiliza cerca del sitio de acumulación genera unos costos de transportación muy reducidos.

  • La utilización de los residuos para producir energía presenta como sistema de eliminación unas ventajas de carácter ambiental, como son una considerable reducción de su volumen, eliminación de plagas, incendio forestales y olores, mejoras del paisaje y reducción de la contaminación del aire, agua y suelo.

  • Algunos métodos de aprovechamiento de la biomasa residual presentan la ventaja adicional de generar productos ricos en nutrientes y, por tanto, susceptibles de ser utilizados como fertilizantes para fines agrícolas, lo que supone un ahorro de consumo de energía, materias primas y divisas.

Todo esto hace que el tratamiento de la biomasa residual no solo sea necesario, sino que podría convertirse en una actividad de un gran interés económico y, fundamentalmente, social, debido a los beneficios que generaría su aprovechamiento.

  • Tipos de Residuos.

En general, se pueden definir los residuos como "aquellos materiales generados en las actividades de producción, transformación y consumo que no han alcanzado en el contexto en que son generados, ningún valor económico".

Se siguen varios criterios para clasificar los distintos tipos de residuos, entre los que cabe destacar la naturaleza de su origen (agrarios, industriales, urbanos) o los tipos de materiales que los constituye (orgánicos, plásticos, metálicos, etc.). Sin embargo, y teniendo en cuenta que nuestro interés aquí se centra en los residuos orgánicos, por ser biomasa, se pueden considerar tres grandes sectores de actividades que los producen:

  • 1. Sector Agrario

Los residuos agrarios tienen lugar como consecuencia de actividades agrícolas (pajas, tallos, restos de cosechas, residuos de poda, etc.), actividades forestales (residuos de talas, clareos de monte, etc.) y actividades ganaderas (estiércoles, purines).

  • 2. Sector Industrial

Los residuos industriales se originan en las industrias de transformación de actividades primarias (cascaras, restos de mataderos, serrín, etc.).

  • 3. Sector Urbano

Los residuos urbanos se generan en los núcleos de población, como consecuencia de una actividad de consumo (basuras, aguas residuales).

A continuación pasaremos a analizar cada uno de los tipos de biomasa residual mencionados como fuente de energía.

  • Residuos Agrarios.

  • Agrícolas.

Se puede denominar residuo agrícola a la "planta o la porción de ella cultivada que es preciso separar para obtener el fruto o para facilitar el cultivo propio o posterior".

Ahora bien, una gran cantidad de los residuos agrícolas quedan en el suelo en forma de raíces, hojas o frutos no aprovechables y no son utilizables como fuente energética, ya que se incorporan al terreno y contribuyen a mejorar considerablemente las propiedades físicas y biológicas del suelo y, en menos grado, a aumentar su contenido en nutrientes.

Otra parte de estos residuos la integran los tallos y en general, las partes aéreas de las plantas que es preciso separar para facilitar la recolección o las labores agrícolas. Gran parte de ellos son consumido por la ganadería.

Por ultimo, existe una gran cantidad de residuos con potencial interés industrial y energético, que localmente pueden tener alguna utilidad, pero cuya eliminación constituye un problema en las labores de explotación agrícola. Esta ultima categoría de residuos, que son los que nos interesan aquí, se produce principalmente en los siguientes cultivos:

  • Cereales granos, originando pajas.

  • Frutales, cuya poda brinda una fuente considerable de material combustible.

  • Algunos cultivos industriales, como textiles y oleaginosas, que dejan como residuos los tallos.

  • Forestales.

El monte supone un medio considerable de transformación de la energía solar. Sin embargo, el hombre no utiliza íntegramente toda la riqueza que suministra el monte y desperdicia una parte considerable en forma de ramas, cortezas, serrín, etc. Este menor aprovechamiento energético se ha acusado en los últimos años con la aparición de combustibles gaseosos derivados del petróleo. El relativo bajo precio y, sobre todo, la comodidad de su uso, han originado un descenso en el consumo de los residuos de madera como fuente de energía en los países desarrollados.

Realmente, son estos residuos los que, durante siglos, han constituido la fuente energética más importante de la Humanidad.

Los residuos forestales estan constituidos por ramas, cortezas, virutas, serrin, hojas, tocones y raices. Según los valores medios internacionales para varias especies, las diferentes partes del arbol se distribuyen en:

  • Tronco: 67%

  • Ramas: 16%

  • Hojas: 3%

  • Tocones: 14%

Por otro lado, los residuos que se producen en el bosque se dividirán en dos grandes grupos, para facilitar su estudio:

  • Residuos de corte y elaboración de madera.

  • Residuos de tratamiento selvícola.

Respecto al primer grupo, hay que destacar la producción de ramas, teniendo en cuenta que aquellas de diámetro inferior a 7.5 cm en la actualidad no reportan ninguna utilidad y representan un residuo que hay que eliminar del bosque para evitar la propagación de incendios y plagas. Esto sucede en mayor cuantía en los países que tienen una alta población boscosa.

Es considerable también la producción de corteza, serrín y viruta, originados en la elaboración de tableros, tanto a partir de troncos como de ramas. Las hojas, tocones y raíces también representan una cantidad apreciable de biomasa residual susceptible de aprovechamiento.

Por otra parte, son considerables los residuos que se producen en los tratamientos selvícolas: limpias de los bosques naturales que se realizan para aumentar el rendimiento del bosque y evitar la propagación de incendios y clareos que se efectúan en montes repoblados. Se distinguen dentro de estos residuos los de madera de sierra, madera de industria y leña para astilla.

  • Ganaderos.

Tradicionalmente, los residuos producidos por el ganado constituían la única fuente de nutrientes para los suelos agrícolas. Con la aparición de los fertilizantes sintéticos, lamentablemente los estiércoles dejan de utilizarse en gran numero de explotaciones, pues empieza a haber una separación entre agricultura y ganadería.

Con el desarrollo de la tecnología las explotaciones ganaderas han ido transformándose y han ido tendiendo a grandes explotaciones intensivas. Estas verdaderas industrias agrarias no necesitan suelos para cultivar, pues alimentan al ganado con piensos compuestos y, por otra parte, al no tener suelo de cultivo, se corta la vía de reciclado de estos residuos ganaderos, difíciles de eliminar y que pueden afectar a los suelos, a los cursos de agua y a la estética del paisaje, creando además malos olores.

Aquí es donde puede contemplarse la inclusión de la tecnología energética, que podría atender a las necesidades locales de la granja o explotación ganadera.

Al tratarse de residuos con alto contenido de humedad, no es conveniente para su tratamiento utilizar procesos termoquímicos, por su bajísimo rendimiento en este caso. Sin embargo, la tecnología de la digestión anaerobia, proceso de tipo bioquímico que se discutirá mas adelante, presenta grandes ventajas para su aplicación a este tipo de biomasa por varios motivos:

  • Se trata de residuos localizados.

  • Los residuos tienen gran cantidad de agua.

  • Aportan alto contenido de nutrientes para el crecimiento bacteriano.

  • El efluente del proceso mejora notablemente la concentración de nutrientes (nitrógeno y fósforo) respecto al residuo original, lo que supone una gran ventaja para su utilización posterior en la agricultura.

Este ultimo punto permite recalcar que la obtención de energía (en forma de gas combustible) por medio de digestión anaerobia no supone la eliminación de estos residuos y privación de emplearlos en el medio agrícola, sino que, por el contrario, el residuo ganadero, una vez digerido, se encuentra enriquecido en elementos fertilizantes.

Así pues, la potencialidad energética de estos residuos hace necesaria su cuantificación. Este dato se basa en el denominado "peso vivo", es decir, en el peso de los animales que integran la cabaña ganadera, al que se aplica el coeficiente de rendimiento de estiércol por kg. de peso vivo anualmente.

  • Residuos Industriales.

Es muy amplio el numero de sectores industriales que generan residuos orgánicos; sin embargo, en muchos de aquellos, la producción real es muy escasa, ya que, por lo general, dichos residuos se utilizan como subproductos o aporte energético y, cuando no tienen utilidad y proceden de pequeñas industrias, se incorporan frecuentemente a los residuos sólidos urbanos.

Por estos motivos solo se consideran de interés como fuente de energía los residuos de sectores industriales que, en principio: pueden generar mayor cantidad de residuos de naturaleza orgánica, en los que su eliminación supone un costo adicional en la empresa, que su valor sea escaso y se encuentran distribuidos en todo el territorio nacional.

Las industrias que cumplen aproximadamente estas condiciones, son las siguientes:

  • Conservas vegetales.

  • Producción de aceites.

  • Producción de vinos.

  • Frutos secos.

  • Residuos Urbanos.

Los núcleos de población producen diariamente grandes cantidades de residuos, que se pueden considerar incluidos dentro de dos grandes grupos: los residuos sólidos urbanos y las aguas residuales urbanas.

El tratamiento y eliminación de estos residuos constituye día a día un problema más agobiante debido a su incesante crecimiento, a medida que aumenta la población y el nivel de vida de la misma. Por ello, hace tiempo ya que se ha comenzado a estudiar una amplia gama de soluciones posibles a este problema, dentro de la cual destacan aquellos métodos de tratamiento que permitan la obtención de energía y el reciclaje de productos útiles.

En este aspecto es de destacar que, al contrario de los residuos agrarios, que se producen de forma dispersa, los residuos urbanos se caracterizan por su carácter localizado, por lo que parece evidente que sean los más aptos para un tratamiento a gran escala, debido a la menor incidencia del factor transporte en el costo de los procesos de transformación.

  • Residuos Sólidos Urbanos.

Se denominan "residuos sólidos urbanos" a aquellos materiales resultantes de un proceso de fabricación, transformación, utilización, consumo o limpieza, cuando su poseedor o productor los destina al abandono. La composición de estos residuos es función de varios factores, entre los que destacan el nivel de vida de la población, el periodo estacional, tipo de hábitat y clima, pero puede darse una composición media estimada que se refleja en la siguiente tabla, con datos de origen español:

 

Materia orgánica..................................... 55%

Papel y cartón......................................... 18%

Plasticos.................................................. 4%

Vidrio...................................................... 3%

Metales.................................................... 4%

Otros....................................................... 16%

El primer problema que originan los residuos sólidos urbanos cuya gestión no es correcta, es el de los posible riesgos contra la salud. Otro punto importante es el deterioro del suelo y muy especialmente el de la potencial contaminación de las aguas subterráneas y, en muchos casos, incluso de las superficiales.

La producción de incendios, ya sea por autoinflamacion de las basuras o, porque se queman para reducir su volumen, con la consiguiente emisión de humos, son fenómenos conocidos, que no por frecuentes son menos importantes.

El correctos tratamiento de los residuos sólidos urbanos implica dos fases: recogida y transporte, y aprovechamiento o eliminación. Una vez que se ha efectuado la recogida y se ha transportado a los lugares adecuados, fase más costosa de la gestión de las basuras, es necesario dar un destino final a las mismas. En el caso actual de la crisis energética, la tecnología en este aspecto aporta infinidad de soluciones, entre las que son de destacar su tratamiento por métodos termoquímicos para producir calor o combustibles diversos.

  • Aguas Residuales Urbanas.

Se denominan "aguas residuales urbanas" a los líquidos procedentes de la actividad humana que llevan en su composición gran parte de agua y que, generalmente, son vertidos a los ríos o al mar. Su composición es tanto inorgánica (sales, arenas, etc.) como orgánicas (materiales biodegradables), y su fracción sólida contiene una cantidad de biomasa residual.

La presión social actual a favor de una mayor calidad de vida, sobre todo en los países desarrollados, y de la defensa del medio ambiente ha exigido en los últimos años la necesidad de depurar esta agua residual para evitar grandes perjuicios a los cauces receptores. Este proceso de depuración consiste, esencialmente, en un tratamiento primario de separación de la materia en suspensión seguido, generalmente, de un tratamiento biológico con oxigeno, obteniéndose al final del mismo un agua depurada.

Sin embargo, estos procedimientos generan unos fangos (primarios y biológicos) que contienen toda la materia orgánica que estaba presente en el agua residual, por lo que poseen una alta carga contaminante. Su concentración media en materia orgánica oscila alrededor del 5%, y se producen a razón de unos 2 litros/habitante-día, lo que supone una generación de biomasa residual de 36.5 kg/hab-año.

Por tanto, el proceso de depuración de un agua residual no debe considerarse completo, simplemente por haber obtenido un agua depurada. Es presido además, eliminar los lodos generados, con un costo lo mas reducido posible y sin un impacto ambiental negativo apreciable.

El tratamiento de estos lodos con vistas a su aprovechamiento energético que es mas conocido y utilizado en todo el mundo en numerosas plantas de depuración de aguas residuales, es la digestión anaerobia para producir gas combustible. Aunque hasta hace pocos años este proceso tenia como función primordial la reducción de la materia sólida de los lodos y no la producción de gas (que, por lo general, no se utilizaba), a partir de la crisis energética son cada día más numerosas las plantas que recuperan dicho gas y lo utilizan como fuente de energía (térmico o eléctrico).

  • Biomasa en Cuba.

La situación que atraviesa Cuba, a partir de la desaparición de los países socialistas del Este de Europa, hace evidente la necesidad de introducir cambios profundos en la economía del país para adecuarla a las nuevas condiciones imperantes. La esfera energética constituye uno de los principales elementos desencadenantes del período especial en tiempo de paz, que comenzó al cesar en forma brusca e irreversible el suministro, seguro y económico, de combustible procedente de la extinta Unión Soviética (en 1989 dicho suministro representaba casi el 70% de las fuentes de energía requeridas por Cuba ese año).

Cuba es un país de pocos recursos energéticos convencionales. Cuenta con yacimientos de turba, no explotados, y de petróleo. Estos últimos se encuentran en varias regiones del país, y, hasta ahora, la producción máxima de petróleo que ofrecen es de 1,5 millones de toneladas al año.

Es por ello que, para satisfacer las necesidades energéticas, la economía se ve obligada a adquirir en el mercado internacional grandes cantidades de combustible, lo que origina grandes gastos en divisa. A su vez, el agravamiento de la situación económica ha provocado una reducción en la capacidad de adquisición de la moneda libremente convertible, pudiéndose comprar solamente el 50 % del petróleo que normalmente se consumía, a pesar de que el 40 % de los gastos de importación se destinan a ese fin.

Por todo lo anterior, el Estado cubano tiene entre sus prioridades la búsqueda y explotación de fuentes no convencionales de energía, que cubran las necesidades energéticas en sectores donde sea factible su aplicación, entre ellas la biomasa.

Por otro lado, en el mundo contemporáneo cobran a diario mayor importancia las preocupaciones ecológicas vinculadas con la obtención de energía, en particular, la procedente de los combustibles fósiles; haciéndose eco de las mismas, Cuba ha incluido nuevos preceptos en la Constitución de la República, contentivos de los compromisos y tareas que guiarán los esfuerzos del país para resguardar al entorno de acciones capaces de poner en riesgo el derecho de las generaciones futuras a un ambiente sano.

Tal como se planteó anteriormente, la materia prima que sirve como fuente de energía renovable proveniente de la biomasa es, fundamentalmente, de tipo residual. La inmensa mayoría de la biomasa que se puede aprovechar en Cuba es generada en la industria de producción de azúcar, o en otras ramas de la agricultura, como son la arrocera, la del café, cítricos, entre otras, que se comentarán continuación.

  • Los Residuos en nuestro país.

  • Industria azucarera.

En el caso de Cuba, la agroindustria de la caña de azúcar constituye la mayor reserva estratégica de biomasa por su carácter renovable y su considerable volumen anual; por eso, junto a su papel como primera fuente de ingresos para la economía emparejada con el Turismo, puede resultar decisiva en el tránsito hacia el desarrollo sustentable del país. Las condiciones de período especial en los años noventa han impuesto, además, serias limitaciones a los recursos convencionales, materia prima y alimentos. En estas tres esferas, la biomasa agroindustrial cañera puede representar un aporte sensible al desarrollo económico del país dentro de los acuerdos existentes para la conservación y cuidado del medio ambiente.

La caña de azúcar, materia prima para la producción de azúcar, de numerosos derivados y alimento animal, tiene la característica de ser una de las plantas que más eficientemente aprovecha la energía solar, produciendo como biomasa un potencial energético considerable en forma de residuos susceptibles de ser empleados como combustible.

El bagazo de caña de azúcar, el residuo más utilizado en esta industria, que cubre casi el 27 % de la demanda energética actual del país, continuará jugando un papel central en la satisfacción de dicha demanda. En cifras generales, en una zafra de 8 millones de toneladas de azúcar se muelen más de 70 millones de toneladas de caña y produciéndose más de 20 millones de toneladas de bagazo; de éstas, unos 2 millones se utilizan como alimento animal y la producción de derivados, mientras el resto es utilizado por la propia industria azucarera para la producción de vapor y la electricidad que requiere su funcionamiento.

De los 5,5 millones de toneladas de residuos de la cosecha, que se producen fundamentalmente en forma de paja, se destinan más de un millón de toneladas al alimento del ganado vacuno, quedando algo más de 4 millones de toneladas de paja-combustible disponible en los más de 700 centros de acopio y limpieza existentes en todo el país, equivalentes a más de 700 mil toneladas de petróleo combustible. En su gran mayoría, este potencial se quema sin provecho.

Se desarrollan diversas experiencias con el objetivo de aprovechar todo el potencial que encierra los residuos de la cosecha que se acumulan en los centros de acopio. Por ejemplo, se buscan formas de comprimir la paja en pacas o briquetas, y mediante la pirólisis convertirlas en carbón o gases combustibles, para satisfacer las necesidades energéticas de los propios centros de acopio, y como sustitutos de los medios convencionales de obtención de energía.

Entre los portadores energéticos cañeros, destaca el bagazo, en el que se encuentra la potencialidad fundamental para sustituir el petróleo importado que se destina a la producción de azúcar refino y otros derivados de la producción azucarera, así como a la generación térmica de electricidad. Una forma bastante aproximada de ver lo que significa usar el bagazo como combustible para la generación de electricidad en nuestro país es, estableciendo una relación entre el valor calórico del petróleo y el bagazo, que por cada 5 toneladas de bagazo que se quema se puede sustituir 1 tonelada de petróleo importado.

En el presente trabajo, más adelante, será estudiado con más profundidad el bagazo como combustible, con todas las características y propiedades que son importantes para su utilización con fines industriales.

En Cuba, la biomasa obtenida como subproducto de la industria azucarera, constituye el mayor recurso desde todos los puntos de vista. Tomando en cuenta que en una tonelada de caña fresca, aproximadamente, el 32% es de bagazo integral y el 28% de paja y cogollo de caña (Residuo agrícola cañero, RAC), las cuales son las biomasas más importantes que se procesan, secundadas por otros residuos biológicos, por ejemplo, las mieles finales y la cachaza; que al igual que las primeras o en combinación con estas, pueden ser utilizadas con fines energéticos, de alimento animal o con el fin de producir otros productos derivados de la caña de azúcar.

Por ejemplo, en la provincia Santiago de Cuba, se produce del 4-5 % de todo el azúcar obtenido en el país, y sus 51 centros de acopio y limpieza, tienen una capacidad promedio de 3.000 toneladas de caña al día. En cada uno de ellos se recolecta cerca de 15 toneladas de residuos por día, entre bagazo, paja y cogollo de caña, como cifras reales teniendo en cuenta unas cuantas pérdidas que tienen lugar desde el campo hasta el centro de acopio, según datos del MINAZ (Ministerio del Azúcar de Cuba), siendo su consumo energético de unos 3.600 kW-día. Con la aplicación de una tecnología adecuada, se podría obtener, por cada 2,8-3kg de residuos, de 4,7-8 kW de energía calorífica, aproximadamente, lo que equivale a obtener de manera aproximada, 1 kW de energía eléctrica, por lo que sólo con los residuos obtenidos se satisfarían las necesidades energéticas del centro, utilizándose el sobrante de la energía en los sistemas de bombeo para el riego de las plantaciones cañeras o en la producción de electricidad para el consumo de una población rural.

Para la industria azucarera, en cuanto al proceso productivo, con excepción del tallo limpio -contentivo del jugo azucarado- el resto constituyen materias indeseadas, denominadas residuos agrícolas cañeros (RAC), los cuales presentan gran interés con fines energéticos y en calidad de alimento animal, entre otras.

La composición de los distintos elementos varía en dependencia de la edad, clima, variedad, métodos de siembra, cultivo, cosecha y con el rendimiento agrícola, lo que provoca que para las investigaciones sea necesario analizar las condiciones propias de cada territorio. Asumiendo para Cuba rendimientos agrícolas promedios de 60 ton/ha, se ha logrado obtener por cada tonelada de caña fresca cosechada un total de masa seca de 609 kg, que consiste en: 329 kg de tallo, 92 kg de cogollo, 188 kg de hojas secas y 391 kg de líquido, entre jugos y agua. Típicamente se producen 320 kg de bagazo y 280 kg de paja y cogollo por cada tonelada de caña fresca.

Debido a esta abundancia de residuos se pensó en la utilización de la biomasa cañera obtenida en grandes cantidades en los procesos agroindustriales, para su uso como materia prima energética, con vista a su aprovechamiento para la generación de vapor, ya sea con el objetivo de producir electricidad o con fines industriales. En el análisis de estos residuos se constató que en estado natural, presenta ciertas características que requieren tenerse en cuenta para su empleo con fines energéticos, como son:

  • 1. Polimorfismo.

  • 2. Elevado contenido de humedad.

  • 3. Elevado contenido de volátiles.

  • 4. Baja densidad.

  • 5. Poco contenido de carbono fijo.

  • 6. Biodegradabilidad.

  • 7. Bajo poder calórico.

  • 8. Carácter temporal de la producción.

  • 9. Alto contenido de cenizas.

  • 10. Dificultad en su manipulación.

Dichas características influyen en la eficiencia de algunos procesos para la utilización de biomasa como combustible, siendo necesario adoptar una serie de medidas capaces de contrarrestarlo. Los aspectos fundamentales que no deben dejarse de analizar con profundidad son su alto contenido de humedad y su bajo poder calórico como consecuencia de lo anterior.

El RAC está compuesto esencialmente por cogollo y paja verde y/o seca con diferentes grados de humedad. El grado de humedad de la paja de caña a lo largo del tiempo, mediante su secado natural en la finca de cultivo, dependerá del momento de su recogida. De acuerdo con esto es conveniente el secado natural de los residuos en la propia finca antes de su recolección, con el objetivo de no utilizar energía en eliminar la humedad y ahorrar costes en el proceso de su recogida y transporte.

El calor de combustión de los residuos agrícolas cañeros variará igualmente con el contenido de humedad que estos presenten. Si se parte del poder calorífico inferior (PCI) de la materia seca, que es de 3.828 kcal/kg., y se toma en cuenta que el calor de vaporización del agua es de unas 540 kcal/kg,

La variación del calor de combustión con la de humedad del residuo puede observarse en la siguiente tabla.

% HUMEDAD

10

20

30

40

50

60

70

PCI (kcal/kg.)

3391

2988

2518

2084

1644

1707

770

Estos datos permiten observar con claridad y nitidez de forma simple como el contenido de humedad influye notablemente en el valor calórico de la materia prima y, por ende, en la eficiencia del proceso.

Según los trabajos realizados por instituciones y organismos varios, el potencial a obtener del tratamiento anaerobio de los residuales de la industria azucarera, fundamentalmente los residuos líquidos de la producción de torulas, destilerías, los residuales líquidos del ingenio, la cachaza, etc., es equivalente a más de 160.000 toneladas de petróleo.

  • Agricultura

Respecto a la agricultura, son muchos los sectores o ramas que tributan materias primas como fuentes de energías renovables. Entre las más importantes están: la producción de café, la producción de arroz, la de cítricos, plátanos, entre otros.

A partir de los resultados de los trabajos realizados y consultados en Cuba, se confirma la posibilidad de utilizar los residuos de las más de 350 despulpadoras de café que existen en el país con el objetivos de obtener biogás, equivalente a más de 1.400 toneladas de petróleo combustible en cada cosecha y utilizar el residuo digerido como pienso animal, o como abono orgánico. Se generaliza el uso del afrecho de café (cáscara del grano) como combustible en las secadoras clasificadoras.

En el proceso de beneficio del café se obtienen cantidades de aproximadamente 6.700 toneladas de residuos anualmente (MINAGRI, Ministerio de la Agricultura de Cuba). En un centro de beneficio con capacidad para 10 toneladas diarias se consumen cerca de una tonelada de petróleo al día por concepto de los sistemas de tostado y secado del café y alrededor de 700 kW-día de la red nacional; también en este se recolectan entre 1,5 y 1,9 toneladas de residuos diarios que podrían aportar alrededor de 1.000 kW-día, utilizando tecnologías adecuadas, pudiéndose por lo tanto abastecerse casi completamente de la energía que necesita. En la actualidad estos residuales no se aprovechan y en general se botan o se venden a algunos pobladores que lo emplean como combustible doméstico.

Por otra parte, la potencialidad de la producción de arroz radica en la cáscara y en la paja de arroz, como residuos fundamentales de la cosecha; en la que se producen, normalmente, alrededor de unas 80.000 toneladas de cáscara de arroz anualmente, de las cuales, sólo se utiliza una pequeña parte como combustible en las fábricas de arroz precocido.

La producción de arroz en Cuba, en el año 1997 se estimó en 180.000 toneladas (MINAGRI), de las cuales el 39 % se produce en la zona oriental del país, obteniéndose cerca de 36.000 toneladas de cáscara de arroz, que no se aprovechan en esta zona; por lo general la queman sin provecho alguno. Estudios realizados por técnicos e investigadores de varias universidades cubanas, sobre la utilización de la paja de arroz como potencial energético, demuestran que la misma puede autoabastecer al sector industrial. Una forma que se plantea para su aprovechamiento es el uso de tecnologías avanzadas que normalmente tienen la ventaja de ser sistemas más compactos y fáciles de operar.

La paja de arroz prácticamente no se emplea como combustible dada las condiciones de mecanización de la cosecha, las características del terreno donde se planta el arroz y porque la práctica hace que este material se emplee como fertilizante.

Se prevén algunas soluciones que lleven a la sustitución del diesel que se consume en los secaderos de arroz por la utilización de la cáscara de arroz como combustible.

Referente a la cosecha de cítricos, saltan a la vista algunas propuestas interesantes para aprovechar las podas de los árboles y otros frutales como materia prima para la producción de carbón o astillas de madera para su consumo en cocinas, hornos, calderas, etc. Algo parecido sucede con relación al plátano y es la posibilidad del aprovechamiento, mediante la digestión anaerobia, de los desperdicios del plátano, tallos, etc., para la producción de biogás

  • Industria pecuaria.

Existen tres grandes vertientes dentro de la rama pecuaria que concentran la mayoría del potencial de energía aprovechable, que son, el sector porcino, la ganadería vacuna y la avícola.

En el sector porcino, se estima, que los residuos susceptibles de degradación constituyen un potencial que asciende a más de 40.000 toneladas de petróleo equivalentes anuales. Derivado de estudios desarrollados se calcula que cada cebadero de 11.000 animales pueden dar la energía necesaria para su alumbrado, el bombeo de agua y para la caldera de la planta de pienso líquido, obteniéndose a su vez un residuo sólido para la lombricultura, piscicultura o abono orgánico.

En cuanto al sector vacuno, los cambios en el tratamiento de la alimentación de las reses, pasando de un tiempo de permanencia en la granja o vaquería alto al pastoreo intensivo que implica mayor tiempo de permanencia del animal fuera, debido a la reducción de piensos, también originan cambios en el modo de aprovechar la energía provenientes de las excretas de los animales. Allí donde se logre recolectar unos 8 kg de excreta por pieza, es posible la instalación de un digestor de biogás, que permitiría producir la energía necesaria para el ordeño mecánico, la iluminación y la refrigeración de la leche por períodos de 6 horas.

En el sector avícola, en una granja de 40.000 gallinas ponedoras se puede lograr la energía necesaria para la iluminación de las naves y para el calentamiento de los pollitos, además de producir pienso para los animales.

  • Recursos forestales.

La producción de leña en el país, tanto para su uso directo como combustible, como para la producción de carbón, es del orden de los 2,5 millones de m3 estéreos (no compactados); de ello, 0,7 millones de m3 proceden de áreas no boscosas, o sea, de la eliminación de las cortinas rompe vientos, limpiezas de vasos de embalses, áreas marginales, etc.

El monto global de la producción de carbón asciende a 2 millones de sacos al año. Según trabajos consultados, el potencial de los bosques actuales es de unos 3 millones de m3 estéreos de leña anuales, si se efectúan todas las actividades silvícolas sin perjudicar el estado de los montes, por lo que se podrían producir 5,3 millones de sacos de carbón.

Se han estado plantando varias miles de hectáreas de cultivos energéticos con rendimiento estimado de 120 m3 estéreos por hectárea, a partir de los 5 años. Dentro del programa para el desarrollo de las energías renovables en el país, se han tomado varias acciones como la reconstrucción de bosques degradados y el desarrollo de 160 000 ha de bosques energéticos.

Los Cultivos Energéticos.

3.1. Introducción.

El cultivo de cosechas atendiendo al valor que poseen como combustible, es decir, teniendo en cuenta su potencial energético como cuestión más importante, es lo que se conoce como "cultivos energéticos". Recientemente, y como consecuencia de la crisis energética. Se ha empezado a considerar seriamente la posibilidad de producir biomasa vegetal transformable en energía, conociéndose esta nueva faceta como "Agroenergética", sobre la que, por falta de datos experimentales, existen toda una vía de interrogantes acerca de su alcance desde el punto de vista económico e impactos social y ecológico.

La Agroenergética es un nuevo enfoque del cultivo de la Tierra en el que se pretende utilizar cultivos vegetales para fijar la mayor cantidad posible de energía solar y acumularla en la biomasa vegetal para ser aprovechada con fines energéticos.

Actualmente solo se obtienen pequeñas cantidades de energía procedentes de esta fuente; el conocer su rentabilidad económica y energética debe ser objeto de investigación para que se pueda llevar a cabo esta actividad de forma masiva en un futuro no muy lejano.

Según el destino de los productos obtenidos en los cultivos vegetales cabe considerar tres aspectos dentro de la Agricultura o cultivo racional de la Tierra:

Aspecto Agroalimentario: Cuando los productos obtenidos (en general una parte de la biomasa producida) son destinados a satisfacer las necesidades alimentarias de la población o de los animales.

Aspecto Agroindustrial: Cuando los productos obtenidos tienen un empleo únicamente industrial no alimenticia, como por ejemplo las fibras o los fármacos de origen vegetal.

Aspecto Agroenergético: Cuando la totalidad de la biomasa cosechada se emplea con fines energéticos (producción de energía), bien directamente, o bien, después de su transformación, en combustible líquido, sólido o gaseoso.

Los aspectos agroalimentario y agroindustrial son los que han predominado desde que la agricultura se realiza de forma organizada y consciente, de forma tal que todos los avances técnicos han sido pensados y aplicados para potenciar los dos aspectos anteriormente mencionados. Las avances en la fitotécnia de los cultivos, en la genética de las plantas, etc., no han sido vertidos a optimizar la obtención de combustible como objetivo primordial hasta ahora.

El progresivo agotamiento de las reservas de combustible fósil y el consiguiente encarecimiento de los crudos, han hecho que se pase a considerar la posibilidad de utilizar como fuente de energía alternativa a la biomasa vegetal producida intensamente en las tierras no dedicadas a los cultivos agroindustriales, lo que cual ha dado nacimiento a esta nueva faceta de la agricultura que se denomina Agroenergética, y que puede considerarse como una de las modalidades del aprovechamiento de la energía solar.

3.2. Balance de Energía en cultivos energéticos.

Un aspecto muy importante dentro de las consideraciones de los cultivos energéticos, es el balance de energía. Cuando se realiza un cultivo de este tipo, además de la energía solar, indispensable para el desarrollo de los vegetales, aunque gratuita, se necesita una buena cantidad de energía proveniente de diversas fuentes externas, desde el trabajo muscular a la energía eléctrica, pasando por el petróleo y sus derivados. En el análisis del balance energético de la producción agrícola hay que tener en cuenta estos dos tipos de fuente de energía (solar por un lado y convencional por otro) de forma separada, como integrantes de las magnitudes energéticas de entrada del proceso productivo.

Para realizar un balance energético se ha de tener una visión global de la producción de los ecosistemas agrarios como integrantes de la acción productora y consumidora de la biosfera. No se pueden tener en cuenta únicamente los análisis económicos de las diversas explotaciones agrarias, ya que los precios de los productos y de los elementos consumidos son muy variantes, incluso estando en condiciones físicas muy similares, ya que se ven en muchas ocasiones afectados por subsidios o precios protegidos en países con cierto desarrollo en este tipo de aplicaciones. La ventaja que presenta un análisis energético ante un análisis económico que tome como unidad de medida un sistema monetario, es la invariabilidad de los datos energéticos en el tiempo frente a las fluctuaciones de valor de las monedas, incluso en periodos relativamente cortos.

Al realizar balances energéticos en varias facetas de la agricultura, no extrañaría un resultado neto negativo, es decir, un consumo de energía en el cultivo y recolección mayor que el que se produce como biomasa (sin contabilizar la solar, por supuesto) y a pesar de ello, puede resultar enormemente rentable desde el punto de vista económico. Esto es debido a que se ha aumentado la nobleza y calidad de la energía, aunque haya disminuido su cantidad, de ahí que la mayoría de los productos agrícolas no se valoren por su contenido energético, sino por la calidad de la biomasa producida. Así pues, la empresa no suele inventariar energéticamente son económicamente, aunque el balance puede ser positivo en ambos casos.

En cambio, cuando se analiza un cultivo energético, es necesario tener en cuenta que éste debe aportar más energía que la que recibe del agricultor, siendo entonces una premisa del cultivo energético, que su balance energético siempre sea positivo.

La realización de un balance energético de una explotación agraria debe acometerse teniendo en cuenta las entradas y salidas en una misma unidad de medida (preferentemente en J) para tener una idea mejor de las partidas que intervienen y poder realizar la comparación de manera homogénea.

La estimación del consumo energético en el proceso de producción lleva a la asignación de un equivalente energético para cada uno de los siguientes componentes:

  • El trabajo humano, considerando el agricultor como una máquina que consume biomasa del propio proceso. Obsérvese que la asignación de un valor energético a cada hora de la vida del agricultor en el medio rural, como máquina destinada a trabajar en el cultivo energético, puede ser muy variable porque influyen muchos factores.

  • El trabajo de animales de labor, que se utilizan sólo en ciertas épocas, pero que hay que mantenerlos todo el año.

  • Los abonos y productos químicos, en los que hay que considerar además de su energía interna, la energía consumida en su fabricación, transporte y aplicación.

  • Las semillas. Cuando se utilizan semillas cosechadas en la producción normal, el consumo energético debido a ellas sería el equivalente a su energía interna. En el caso de semillas híbridas o seleccionadas, habría que considerar la energía gastada en su producción.

  • La maquinaria agrícola, en la que hay que valorar aperos de labranza, tractores, motores y otras máquinas, de los que no sólo hay que valorar su consumo de combustible, sino también los gastos energéticos de su fabricación, conservación y mantenimiento.

  • El material de construcción, al que se puede asignar valores fijos preestablecidos.

  • El material de instalación y funcionamiento del riego con la valoración energética de los embalses y canales implicados en el mismo.

Por otra parte, la valoración del contenido energético de la biomasa producida por los cultivos energéticos, se debe hacer por evaluación de la combustión completa de una bomba calorimétrica, ya que el valor así obtenido es realmente su energía interna, y no el que dan las tablas dietéticas, que solo tienen en cuenta la energía aprovechable por un organismo vivo.

La tabla 1 muestra un intento de comparación de la energía aproximada de ciertos productos agrícolas y la energía convencional consumida en su producción. Obsérvese, no obstante, que el valor correspondiente de la energía interna no es el que la planta en cuestión puede suministrar realmente, ya que los procesos de transformación de biomasa en energía útil (calor, electricidad) suelen tener rendimientos realmente bajos (entre un 30 y un 40%).

CULTIVO

ENERGÍA CONSUMIDA

(MJ/kg.)

ENERGÍA INTERNA

(MJ/kg.)

Cereales

Remolacha

Patatas

Legumbres

Madera

4.6

0.85

2.1

2.5

1.6

15.0

3.0

3.8

6.3

17.0

Tabla 1. Consumos energéticos y energía interna de algunos productos agrícolas.

Los rendimientos que se obtienen en la conversión de la biomasa en energía o en otro tipo de combustible; a través de los diferentes procesos físicos, químicos o biológicos que se tratarán más adelante en el curso; pueden oscilar entre el 20 y el 70%.

Si asignáramos a la biomasa un valor calorífico medio de 4000 kcal de materia seca, una hectárea de terreno que produjera 20000 kg de materia seca al año, produciría una cantidad de energía análoga a la contenida en unos 8000 l de gasolina lo cual podría equivaler a una potencia de unos 10 kW durante todo el año.

Si quisiéramos utilizar la biomasa para proporcionar energía a una industria que necesite una potencia de unos 1000 kVA por ejemplo, suponiendo que el rendimiento en la transformación de la biomasa en energía eléctrica sea de un 35%, tendríamos necesidad de ir disponiendo a lo largo del año de biomasa producida en una superficie de una 300 ha. Para producir una cantidad de energía equivalente a la que produce una central de 100 MW se necesitaría disponer de una superficie de cultivo de unas 30000 ha, suponiendo la producción media anterior (20000 kg ha-1) y el mismo tipo de transformación.

El método de las "plantaciones de energía" no parece indicado para abastecer de energía a los grandes centros de demanda. Para estos fines parece más adecuado acudir a las centrales convencionales térmicas o hidroeléctricas. La agroenergética parece estar más indicada para suministrar energía a núcleos agroindustriales de no muy alta demanda energética, y en los que iría asociada a cada industria una superficie de cultivo adecuada para proporcionar emergía y alimento a todo el complejo agroindustrial.

3.3. Selección de cultivos y efectos ambientales.

Existen en diversos países diferentes planes relacionados con los cultivos energéticos, que más adelante tocaremos brevemente. A modo de orientación, un cultivo que tenga 10 Tm/ha de biomasa seca, daría una energía anual equivalente a la suministrada por una potencia instalada de 5 kW. Si se desarrollasen cultivos energéticos de alta eficacia en la producción de biomasa, se podría duplicar o triplicar esta cifra, llegando a producciones comparables a las que tienen en la actualidad los cultivos más productivos, como lo es la caña de azúcar.

Los cultivos más susceptibles a ser empleados en determinado momento deben cumplir con la premisa general de obtener la máxima cantidad posible de energía neta compatible con las condiciones del suelo y climatológicas de cada zona.

La Agricultura, al modificar considerablemente los ecosistemas naturales, es una de las actividades que puede influir negativamente en el equilibrio ecológico de la biosfera en determinada zona. Por tanto, el impacto ambiental de los cultivos energéticos debe ser de especial atención en su análisis global. La práctica agrícola reduce ostensiblemente el número de especies vegetales, por lo que se reduce la estabilidad de cualquier ecosistema y lo hace más vulnerable a los cambios del medio ambiente. Por otra parte el empleo de maquinaria pesada y de abonos químicos y productos fitosanitarios de forma masiva, produce, en muchos casos, efectos desastrosos desde el punto de vista ecológico.

Por todo ello los cultivos energéticos también ocasionarán necesariamente alteraciones del medio ambiente, pero es de esperar que sea en menos magnitud que otras tendencias agrícolas como las alimentarias o industriales. Por varias razones como son:

  • Los cultivos energéticos se implantarían en zonas marginales de escasa productividad natural, en las que los cultivos protegerían el suelo contra la erosión y aumentarían su contenido en materia orgánica.

  • Como son cultivos pocos exigentes en labores fitosanitarias serían más nobles con el suelo y éste no sufriría tanto.

  • Podría aumentarse la variabilidad de las especies al no ser necesaria la monoespecificidad de los cultivos, con lo que también aumentaría la estabilidad del ecosistema agroenergético y como consecuencia éste tendría una mayor aptitud para mantener una elevada productividad ante las posibles variaciones climáticas del año agrícola.

  • La reutilización de los residuos del proceso de producción y transformación de la biomasa en el mismo tratamiento al cultivo haría mejorar el balance de materia orgánica en el suelo.

A continuación se estudiará una serie de cultivos que se pueden aprovechar con fines energéticos. Se dividirá el estudio en los siguiente tipos de cultivos:

  • Cultivos tradicionales.

  • Cultivos poco frecuentes.

  • Cultivos acuáticos.

  • Cultivos de plantas productoras de combustibles líquidos.

Las plantas que se citarán no son las únicas candidatas a ser empleadas para la producción de energía como objetivo esencial de su existencia. La íntima adaptación de la especie a unas circunstancias climáticas concretas, es una de los factores más importantes para maximizar la productividad. Por eso, ante cada circunstancia debe ensayarse con las especies autóctonas o introducidas que se sospeche tendrá mejor y mayor acomodación al medio. Después se puede comenzar un estudio para seleccionar, desde el punto de vista genético, la que brinde mayor cantidad posible de biomasa recolectable.

3.4. Cultivos tradicionales.

Los cultivos tradicionales son aquellos que el hombre ha venido utilizando desde hace mucho tiempo, no solo para obtener alimentos sino también para obtener productos para ser usados industrialmente.

Tratándose de utilizar algunos de estos cultivos con fines energéticos, es necesario distinguir aquellos que puedan destinarse exclusivamente a la producción de energía por haber decaído su interés en su ámbito tradicional, de los que puedan ser competitivos con la producción de alimentos. La viabilidad de estos últimos podría ser muy discutible, ya que esta competitividad tendería a ofrecer más dificultades que ventajas de cara al futuro, salvo que se usen como materia prima energética los excedentes de la cosecha.

Existen diferencias de objetivos entre los cultivos agroenergéticos y los agroindustriales o agroalimentarios:

  • En los cultivos agroalimentarios, el objetivo final es obtener alimentos de buena calidad, mientras que en los agroenergéticos se trata de la obtención de la mayor cantidad de biomasa transformable en energía.

  • Las especies que se cultivan con fines energéticos pueden ser distintas a las que se cultivan con fines alimentarios o industriales, dándose casos de plantaciones poliespecíficas en una misma superficie de cultivo.

  • En los cultivos agroalimentarios se suele utilizar solamente una parte de la biomasa producida, mientras que en los agroenergéticos interesa toda la biomasa producida que sea económicamente recolectable.

  • Tanto el marco de plantación como la época de recolección puede variar para una misma especie, según que se enfoque hacia el punto vista agroalimentario o agroenergético.

Al grupo de cultivos tradicionales con posibilidades de aprovechamiento energético pertenecen, entre otras especies familiares, la caña de azúcar, trigo, cebada, maíz, sorgo dulce o azucarero, remolacha, yuca (mandioca), papa (patata), boniato (batata), pataca, nabo, aguacate, girasol, alcachofa, arroz, etc. Todas estas especies tienen determinadas exigencias climáticas, así como la necesidad de terrenos fértiles y agua, por lo que, inevitablemente, su cultivo significa una gran competencia con los cultivos alimentarios. En un plano ideal, los cultivos agroenergéticos debería ubicarse en terrenos marginales; sin embargo, el concepto de marginalidad es relativo y, exceptuando las zonas desérticas donde ningún vegetal puede ser cultivado, los límites del aprovechamiento de la tierra están dados por la economía.


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