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Indice1. 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 CO2Las 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

[1] IPCC Draft Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories", vol 3, IPCC/OECD Joint Programme, UNEP, WMO, 1994 [2] Schmidt-Bleek, F. :"Increasing Resource Productivity on the Way to Sustainability", UNEP Industry and Environment, vol 18, #4, pp :8-12, oct-dic/95 [3] Fussler, C.:"The cure for Marketing Myopia: Meeting emerging Market Needs for EcoEfficient Products", UNEP Industry and Environment, vol 18, #4, pp:34-37, oct-dic/95 [4] Waller-Hunter, J. :"Sustainable Production : The Corporate Challenge", UNEP Industry and Environment, vol 18, #4, pp :21-24, oct-dic/95 [5] Scoullos, M.J..:"Energy Conservation and Efficiency: A Safe Response to Global Warming and Other Environmental Problems", Industry and Environment, vol 13, #1, pp:6-8, ene-mar/90 [6] Combustibles para el futuro, Reseña de W. Driscoll, Facetas, #130, pp :76-78, ene/94 [7] Ruscoe, J.:"Energy Efficiency in Industry and Transportation", UNEP Industry and Environment, vol 13, #1, pp: 25-27, ene-mar/90 [8] Mesa, J. :"La agroindustria azucarera dentro de un marco de Desarrollo Sostenible", Tesis de Maestría en Economía, Universidad de la Habana, 1997 [9] Armas, C de. ; González, L. :"La caña de azúcar como fuente de energía", La Industria de los Derivados de la Caña de Azúcar, pp :57-89, Editorial Científico-Técnica, 1986 [10] David, E.: "Caña, azúcar y alcohol", ATAC, 40, #1, pp:4-7, ene-feb/81 [11] Suares, R.:"Caña de azúcar: medio ambiente y desarrollo", Seminario Internacional de Generación Comercial de Energía Eléctrica en la Agricultura Cañera, pp:415-447, jun/94 [12] Sinclair, T.R. ; anderson, D.L.:" Factores limitantes de la producción de caña de azúcar (III). Potencial teórico de producción", Sugar Journal, vol 59, #10, pp :8-9, mar/97 [13] Noa, H. , et al."Economía y desarrollo perspectivo de los Derivados de la Caña de Azúcar", La Industria de los Derivados de la Caña de Azúcar, pp :5-56, Editorial Científico-Técnica, 1986 [14] Cabello, A.:"Hacia una estrategia del uso de la caña para alimentación animal", Subproductos y Derivados de la Agroindustria Azucarera, pp :291-313, colección GEPLACEA, Serie diversificación, 1988 [15] Lois, J. :"Preparación, almacenamiento y conservación del bagazo para la industria de derivados", Subproductos y Derivados de la Agroindustria Azucarera, pp :39-62, colección GEPLACEA, Serie diversificación, 1988 [16] Llanes, J.; Torres, J.:"Caña de azúcar, ¿azúcar o energía? Hacia un sistema energético sustentable", Taller Económico ambiental, Kingston, Jamaica, 1994 [17] Magassiner, N. :"El diseño de calderas bagaceras con referencia específica para la cogeneración", Seminario Internacional de Generación Comercial de Energía Eléctrica en la Agricultura Cañera, pp:179-199, jun/94 [18] Van, Dillewijn, C. :"Botánica de la Caña de Azúcar", Ediciones Revolucionarias, s.a [19] López, F.A. :"Manual práctico de fabricación de azúcar de caña, miele y siropes invertidos", Editorial Ciencia y Técnica, 1972 [20] The Merck INDEX, 11na edición, 1989 [21] Saavedra, F. ; et al :"Las hemicelulosas de la caña de azúcar", Reporte de investigaciones, Unión de Investigación Producción de la Celulosa del Bagazo, Cuba 9, nov/88 [22] Serantes, M.. et al :" La lignina alcalina de bagazo. Resultados y perspectivas como aglitnantes de tableros de partículas", Conferencia del III Seminario Internacional de Azúcar y Derivados de la Caña de Azúcar, 1993 [23] Sears, F.W.:Termodinámica", Ed. Reverté, 1973 [24] Singer, J.G.:"Combustion Fossil Power Analysis", Combustion engineering, INC., 1981 [25] Jenkinks, G.H. :"Introduction to Cane Sugar Technology", elsevier, 1966

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, ICIDCAÅ Investigador Titular, Subdirector de Investigaciones, ICIDCA