SAV – Segurmática AntiVirus

Indice
1.
Introducción
2. Disponibilidad energética de la
caña de azúcar
3. Características de la
obtención de energía a partir de la caña de
azúcar
4. Referencias

1.
Introducción

Un aspecto indisolublemente asociado a la energía
es la contaminación
ambiental que provoca, la cual constituye una de las causas
de emisión de los gases del
efecto
invernadero (CO2, CH4, N2O,
NOx, CO) [1], que provienen en gran medida de la amplia variedad
de actividades asociadas a la obtención,
transformación y utilización de la
energía.
Por otra parte la crisis del
petróleo
de 1973 contribuyó a fomentar a escala
internacional la preocupación por el uso de la
energía, lo que conduce, entre otras, a las siguientes
propuestas:

• necesidad del incremento en la productividad
  de los recursos,
  desarrollando bienes en
  forma sostenible [2] o de productos
  ecoeficientes [3]
• empleo de la innovación industrial como parte del
  Desarrollo
  Sostenible [4]
• reducción en la intensidad del uso de los
  recursos,
  tomando en consideración el amplio potencial de reserva
  de que aún se dispone [5]
• búsqueda de nuevas fuentes de
  energía que permitan ampliar su número y la
  utilización de los combustibles a base de biomasa y
  celdas solares [6]
• empleo más eficiente de los portadores
  energéticos para la transportación
  [7].

Dentro de este panorama de indispensable incremento en
la eficiencia en el
uso de portadores energéticos y en la búsqueda de
fuentes de
energía alternativas, una de las ramas de la agricultura
que resulta atractiva para este propósito es la
agroindustria de la caña de azúcar
[8] atendiendo a que: un buen número de países
producen azúcar
a partir de caña; este cultivo brinda diversas
alternativas para la obtención de energía de manera
renovable y a la alta eficiencia de
esta gramínea en la producción de biomasa a partir de la
energía
solar.
Tomando en cuenta los aspectos señalados, en este trabajo
se propone un método
para estimar la fijación de CO2 durante la
formación de biomasa cañera, el cual se utiliza
para ilustrar el balance de CO2 (emisión –
fijación) en un esquema de producción de: azúcar – alcohol –
electricidad –
biogas, cuyo balance de energía (entrega-demanda)
también se determina y analiza.

2. Disponibilidad
energética de la caña de
azúcar

Las plantas que
existen sobre la superficie de la Tierra son
capaces de almacenar a través de la fotosíntesis una cantidad de energía
10 veces mayor que el consumo
mundial, y unas 200 más que la energía total de los
alimentos que
utiliza el hombre [9].
Mediante este proceso
natural la energía se almacena en forma de biomasa, se
libera oxígeno
hacia la atmósfera y se fija
dióxido de carbono, como
se ilustra en la siguiente representación
esquemática. [10]

CO2 + H2O + Luz Solar
CxH2O + Energía +
O2

En particular, la caña de azúcar exhibe
índices más ventajosos que otros cultivos en cuanto
al almacenamiento de
energía proveniente de la radiación
solar, como se aprecia en los aspectos siguientes:

• es capaz de almacenar el 1.7% de la energía
  existente en la radiación incidente en cultivos con
  irrigación y en condiciones experimentales [10] y 1.1%
  en campos bien atendidos con regadío
• tiene un rendimiento potencial genético que se
  encuentra entre 200-300 t/ha [11] con un máximo
  teórico de 233 kg [12] que compara ventajosamente con
  otros cultivos [13]
• para un valor
  calórico de 17476 MJ/kg de materia seca
  (MS), con un contenido de MS del 30% y un rendimiento de 100
  toneladas de caña integral por ha, la producción
  energética de la caña es 20 veces mayor que la
  energía que se utiliza para producirla, cosecharla y
  trasladarla en el ingenio [14]
• como promedio pueden emplearse las siguientes
  relaciones de sustitución:
• 5.2 toneladas de bagazo 50% de humedad por tonelada
  de petróleo (39.7 MJ/kg) [11]
• una tonelada de bagazo equivale a 231 m3
  de gas natural
  [15]
• cuatro toneladas de paja equivalen a una tonelada de
  petróleo [16] (calor de
  combustión de la paja 30% humedad: 11.7
  MJ/kg)
• el valor
  calórico del bagazo (50% humedad) es de 7.64 Mj/kg,
  semejante al de la madera : 7.9 MJ/kg [17]

• 3. Características de la obtención
  de energía a partir de la caña de
  azúcar

Para evaluar el impacto ambiental
de la obtención de energía de forma renovable a
partir la caña de azúcar, puede utilizarse el
siguiente conjunto de condiciones:

• S residuos =
  0
• S
  energía » 0
• S CO2
  < 0
• S combustibles
  fósiles » 0

Para el análisis del cumplimiento de estas
condiciones en el caso de la caña de azúcar, se
seleccionó un esquema de producción combinado de
azúcar, alcohol,
biogás y energía
eléctrica, cuyo impacto ambiental
en términos de emisión-fijación de
CO2, así como el balance de energía
(entrega-demanda) se
presenta y discute a continuación.

Formación de biomasa en la caña
azúcar
El nivel de fijación total de CO2 durante la
formación de la biomasa cañera, está dado
por dos contribuciones: partes aéreas (tallos, cogollos,
hojas) y raíces, en tanto su magnitud depende de la
composición y del aporte a la biomasa total de la planta
de cada una de las partes.
Sin embargo, considerando la complejidad del proceso de
fotosíntesis puede proponerse un modelo de
primera aproximación para estimar la fijación de
CO2, cuyas hipótesis son:

• la composición vegetativa de la caña en
  términos de materia seca
  es: 70 caña molible, 19% cogollo y paja y 11%
  raíces [18]
• la composición de las diferentes partes de la
  planta se considera homogénea y se corresponde con los
  índices mostrados en la figura 1 [19]

figura 1

• la formación de cada compuesto se supone
  independiente de los restantes, lo que permite caracterizar la
  formación de la biomasa mediante las siguientes ecuaciones:

celulosa: [20] 6CO2 + 5H2O
C6H10O5 +
6O2

xilosa: [21] 5CO2 + 4H2O
C5H8O5 +
4.5O2

arabinosa [21] 5CO2 + 5H2O
C5H10O5 + 5
O2

lignina [22] 10CO2 + 4.88H2O
C10H9.76O2 +
11.44O2

sacarosa: [20] 12CO2 + 11H2O
C12H22O11 +
12O2

dextrosa y levulosa: [20] 6CO2 +
6H2O C6H12O6 +
6O2

A partir de estas ecuaciones y
la composición de este cultivo, es posible establecer que
el nivel de fijación de CO2 (tabla 1) es de
(11.96) 12 moles/tm de biomasa de caña formada (tallos,
hojas), que expresado en condiciones normales representan 267.98
Nm3.

Tabla 1. Indices de fijación de CO2 en
la formación de biomasa cañera

Nótese, que al considerar el aporte a la
fijación de CO2 de la raíz del cultivo,
el índice anterior se incrementa a 13.48 moles/tm de
caña integral, lo que representa 302.0
Nm3.

Emisiones de CO2
Las operaciones del
proceso de producción de azúcar seleccionado que
provocan emisiones de CO2 al medio
ambiente, pueden agruparse en las categorías de
impacto siguientes: las que representan un aporte neto al nivel
de CO2 en la atmósfera al provenir
del empleo de
combustibles fósiles como son la cosecha,
transportación, fertilización y uso de plaguicidas
y herbicidas, y las asociadas al proceso fabril azucarero, donde
la fuente de energía es el bagazo y las emisiones de
CO2 están compensadas por la fijación
del mismo por el cultivo. A continuación se presentan los
resultados de ambas vertientes para el caso de estudio
seleccionado.

Emisiones de CO2 en la cosecha
Una forma de cuantificar la contribución al nivel de
CO2 por esta causa, es la siguiente:

• determinar la cantidad de petróleo equivalente
  (Peq) que requieren estas actividades (tabla
  2)

Tabla 2. Cantidad de petróleo equivalente para
las actividades de cosecha

• calcular cuánto representa en términos
  de emisión de CO2 la combustión del petróleo (fuel oil)
  cuya composición es: C:85.7%; H:10.5%; O:0.92% y S: 2.8%
  [24]. Si los índices porcentuales anteriores se dividen
  por el peso atómico respectivo (C :12 ;
  H :1; O :16; S:32) se obtiene la composición
  empírica de éste, a partir de la cual se puede
  establecer la siguiente ecuación de reacción,
  donde se aprecia que por cada kg de petróleo se emiten
  7.14 kg de CO2.

C7.14H10.5
O0.06S0.09 + 9.9O2
7.14CO2 + 5.25H2O +
0.09SO3

Combinando estos índices, se obtiene que la
emisión de CO2 por esta causa es de 25.0
Nm3, aunque debe destacarse que la demanda de
fertilizantes puede ser compensada parcialmente mediante el
empleo de la
cachaza y de los lodos anaeróbicos resultantes de la
producción de biogás y la demanda de combustible
para la transportación puede reducirse por dos
vías: ampliando el uso de ferrocarriles eléctricos
y mediante el empleo del alcohol como combustible
automotor.

Emisiones de CO2 durante el proceso
Los procesos que
emiten CO2 en el esquema combinado de
producción de azúcar seleccionado son:
combustión del bagazo en la caldera, producción y
combustión de alcohol y producción y
combustión de biogás.
Mediante un procedimiento
análogo al cálculo de
la combustión del petróleo se obtiene para el
bagazo la siguiente ecuación:

C4.025H602.7 +
4.175O2 4.025CO2 +
3H2O

De lo anterior se obtiene que la cantidad de
CO2 emitido durante la combustión del bagazo es
de 0.885 kg de CO2/kg de bagazo 50%
humedad.

Otra de las fuentes de emisión de CO2
es la producción de alcohol, cuya producción a
partir de la fermentación de azúcares cumple con
la siguiente ecuación, de la que puede apreciarse que el
rendimiento que se alcanza es de 0.511 partes de alcohol y 0.489
partes de CO2.

C6H12O6
2C2H5OH + 2CO2

(180) (92) (88)

Sin embargo, Pasteur demostró que durante la
fermentación se forman otros productos, por
lo que el rendimiento bajo condiciones de laboratorio
equivale al 94.5% del rendimiento teórico. Un estudio
reciente demuestra que cuando el rendimiento de Pasteur (94.5%)
se alcanza con miel A, entonces los rendimientos con miel B y C
son del 92.3% y del 86.6% respectivamente, lo que conduce a los
resultados mostrados en la tabla 3

Tabla 3. Producción de alcohol y emisión
de CO2

En el caso de la combustión del alcohol, la
contribución a la emisión de CO2 puede
expresarse mediante la siguiente ecuación de la que puede
apreciarse que por esta causa se emiten 0.956 (88/92) kg de
CO2 por kg de alcohol combustionado

Por último, considerando el relativamente elevado
poder de
contaminación de los efluentes de la
producción de alcohol (mostos) y su magnitud, la
producción de biogás mediante la
fermentación anaeróbica de éstos representa
una solución ecológica doblemente ventajosa, ya que
la emisión de CO2 de este proceso en su
conjunto, en términos prácticos es nulo y sus
residuales pueden utilizarse como fertilizante.

Balance de CO2 y energía
Una vez determinadas las cantidades de CO2 emitidas y
fijadas por cada una de las actividades del esquema seleccionado,
corresponde evaluar el impacto ambiental de esta alternativa para
la obtención energía renovable. Para esto se
seleccionó un esquema producción combinado de
azúcar, alcohol y biogás cuyos resultados
productivos, balance energético y de CO2
son:

• productos finales: azúcar 48 kg/tci ; alcohol
  16.11 l/tci; biogás 6.31 Nm3/tci y electricidad
  9.8 kwh/tci
• se obtiene una cierta cantidad de combustible
  líquido (alcohol) de forma renovable
• los lodos residuales se utilizan como abono
  orgánico, lo cual elimina los residuos del
  proceso
• existe un excedente de 240 kg de RAC/tci, que puede
  destinarse a la generación de energía
  eléctrica o para la alimentación
  animal. Esta última variante tiene la ventaja adicional
  de que la alimentación animal no compite con la
  humana
• el balance de CO2 es marcadamente
  ventajoso: fijación neta de 183.5
  Nm3
• el balance de energía de este esquema (figura
  2) es favorable: 1089.8 MJ/tci

Figura 2

• es posible obtener por cada tonelada de caña
  integral una pequeña cantidad de energía
  eléctrica cogenerada (2.55 kg Peq ),
  combustible líquido en forma de alcohol (10.87 kg
  Peq) y 3.64 Nm3 de biogás (1.8 kg
  Peq), con una demanda de 6.89 kg Peq, por
  lo cual los 48 kg de azúcar se obtienen con un aporte
  neto de 8.33 kg Peq,

Conclusiones
Como conclusión de este trabajo puede señalarse que
el modelo para
estimar la cantidad de CO2 fijada por la caña
de azúcar durante el proceso de biomasa permite obtener
este índice en el esquema de producción
seleccionado, el cual ilustra como el empleo de la caña de
azúcar para obtener energía renovable es muy
atractivo, atendiendo a que es posible alcanzar este objetivo con
un balance favorable en las términos de reducción
de las emisiones de CO2 al medio ambiente.

Agradecimientos
Los autores desean expresar su agradecimiento al Dr. Carlos de
Armas
Casanova, por sugerir el procedimiento
para la determinación de la emisión de
CO2 durante la combustión del petróleo y
del bagazo.

4.
Referencias

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Gas
Inventories", vol 3, IPCC/OECD Joint Programme, UNEP, WMO,
1994
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[5] Scoullos, M.J..:"Energy Conservation and Efficiency: A Safe
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Maestría en Economía, Universidad de la
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los Derivados de la Caña de Azúcar, pp :57-89,
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[11] Suares, R.:"Caña de azúcar: medio ambiente
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[13] Noa, H. , et al."Economía y desarrollo
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Editorial Científico-Técnica, 1986
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Subproductos y Derivados de la Agroindustria Azucarera,
pp :291-313, colección GEPLACEA, Serie
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[24] Singer, J.G.:"Combustion Fossil Power Analysis", Combustion
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[25] Jenkinks, G.H. :"Introduction to Cane Sugar
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Resumen
En este trabajo se propone un método
para estimar la fijación de CO2 durante la
formación de biomasa cañera a través del
proceso de fotosíntesis (aplicable a otros cultivos).
Utilizando este resultado se obtiene el balance de CO2
(emisión – fijación) en un esquema de
producción azúcar – alcohol – electricidad –
biogás, cuyo balance de energía (entrega – demanda)
también se analiza.

Autor:

Lic. Jesús de la Caridad Mesa OramasÄ ; Dr. Ing. Leonel
González Penichet Å

Ä
Investigador Titular, J'Dpto de Instrumentación y Automática,
ICIDCA
Å
Investigador Titular, Subdirector de Investigaciones,
ICIDCA