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Introducción
La biomasa forestal en un contexto energético se refiere al conjunto de elementos renovables de origen orgánico o sus derivados, cuya energía procede de la radiación solar transformada en energía química de enlace, durante el proceso de fotosíntesis realizado por las especies vegetales (Manzano et al., 2012).
Esta energía química puede ser utilizada directamente a partir de procesos de combustión o ser transformada mediante métodos térmicos (gasificación) o biológicos (producción de Bioetanol), de acuerdo al requerimiento final de uso (Yánez et al., 2020). En general se habla de biomasa como materia viva, de la cual se puede aprovechar su potencial energético para la generación de energía o combustibles aprovechables por el hombre.
Los ecosistemas forestales son la fuente más importante de biomasa lignocelulosa en el mundo, en la mayoría de los casos se valoran por el volumen aprovechable por la industria. La biomasa en forma de madera es la fuente de energía más antigua usada por la humanidad, tradicionalmente su energía se ha usado a través de combustión directa y este proceso es ampliamente usado alrededor del mundo. La bioenergía tiene el potencial de ser “mundialmente modernizada”, producida y utilizada de forma eficiente a un costo competitivo, usando tecnologías que la conviertan a gas, líquido, o electricidad directa. En la actualidad, el uso de residuos forestales como fuente de biomasa para la generación de bioenergéticos representa una alternativa potencial (Ayala- Mendivil, et al., 2018).
De esta forma, hay una cantidad de biomasa que queda subestimada con potencial de ser una importante fuente de energía y se puede transformar en combustible sólido, líquido o gaseoso, para sustituir los combustibles fósiles a bajos niveles de inversión y alta rentabilidad (Guyat et al., 2019)
En este sentido, una solución reconocida a esta problemática es incorporar estos residuos forestales en las cadenas de valor para la bioenergía. La cadena de bioenergía, a partir de biomasa forestal, tiene cuatro eslabones principales: producción de la materia prima; procesos de transformación de ese insumo principal en biocombustible; biocombustible con características y propiedades específicas y finalmente uso de ese biocombustible en la obtención de bioenergía para dar diferentes servicios energéticos (Zequeira et al. (2021).
En este sentido, las tecnologías modernas de aprovechamiento, transformación y uso final de biomasa forestal para energía todavía no han sido adoptados y utilizados en la medida de su potencial. La biomasa forestal puede tener dos roles principales como fuente de energía: como combustible no procesado, en aplicaciones térmicas tradicionales, domésticas o artesanales (leña para cocción, calefacción, secado, generación de vapor o calor directo), o como diferentes combustibles procesados (astillas, braquetas, pellets de madera, carbón vegetal, pyro-oil, syngas) utilizables en aplicaciones térmicas y termoeléctricas industriales para generar vapor, calor, y/o electricidad (Trujillo, 2020).
Algunas investigaciones señalan el potencial del uso de los residuos de la industria forestal para la generación de energía, alegando que los mejores rendimientos de generación de bioenergía y disminución de los gases de efecto invernadero, se obtienen en los procesos que utilizan estos residuos como materia prima, ya que se evita el impacto ambiental de la producción de cultivos específicos (Cherubini et al., 2009; McKechnie, 2011). Esta energía química puede ser utilizada directamente a partir de procesos de combustión o ser transformada mediante métodos térmicos (gasificación) o biológicos (producción de Bioetanol), de acuerdo al requerimiento final de uso (Yaman, 2004; Yánez et al., 2020).
En Cuba se han desarrollado diferentes investigaciones relacionadas con la producción de energía a partir de residuos forestales, entre los que es posible mencionar:
Lesme et al. (2011) realizaron la evaluación de un sistema gasificador/motor de combustión interna, para determinar las mejores condiciones de operación del gasificador, la calidad del gas que produce y la potencia eléctrica que se puede generar en el motor.
Zequeira et al. (2021) elaboraron una metodología para la zonificación del potencial de biomasa con fines energéticos orientada a empresas forestales, considerando que el uso de la biomasa forestal para la producción de energía representa una de las alternativas actuales que considera el país para su desarrollo energético.
Asimismo, Rubio (2022) determinó el comportamiento de la humedad, masa orgánica y el calor específico de combustión del marabú cosechado con máquinas, para prever su impacto en la operación de las calderas para tomar previsiones y garantizar su correcta utilización.
Teniendo en cuenta estos antecedentes y la existencia de gran cantidad de residuos de la industria forestal que provoca un impacto ambiental, así como, el déficit de corriente eléctrica existente en la localidad, se hace necesario elaborar una propuesta que contribuya a la producción de energía eléctrica para la Industria de trasformación primaria y secundaria de la madera, en la Empresa Agroforestal Macurijes y las comunidades aledañas.
La presente investigación tuvo como objetivo proponer una tecnología para la obtención de energía eléctrica para la industria de trasformación primaria y secundaria de la madera, a partir de los residuos forestales en la Empresa Agroforestal Macurijes ubicada en la provincia de Pinar del Río, Cuba.
Metodología
La investigación se desarrolló en La Empresa Agroforestal Macurijes (E.A.F Macurijes) localizada en la región occidental de Cuba, en la provincia de Pinar del Río, abarca el patrimonio forestal de los municipios Guane y Mantua. Limita al noreste con el municipio Minas de Matahambre (E.A.F Minas de Matahambre) al oeste y noroeste con el Archipiélago de los Colorados entre la Ensenada de Baja y la Ensenada de Garnacha, en el litoral del Golfo de México, donde se encuentran: la cayería de Limones, Cayo Diego, Cayo Rapado Grande, Cayo Rapado Chico y Cayo de Buena vista; al este limita con el municipio San Juan y Martínez (E.A.F Pinar del Río); al Sur con el municipio Sandino (E.A.F Guanahacabibes) y al Sureste con el litoral del mar caribe comprendido entre las desembocaduras de los ríos Cuyaguateje y Puercos (ver Figura 1).
Según el proyecto de organización y desarrollo de la economía forestal 2019- 2028 (Aldana, 2019) la superficie total de la empresa es de 86 603 hectáreas. Distribuidas en dos unidades empresariales básicas Rio Mantua con 45 245 ha (52,2 %) con 133 lotes y 8 253 rodales y la unidad empresarial básica silvícola Los Ocujes con 41 358 ha (47,8 %) con 124 lotes y 2 556 rodales.
El área boscosa de la empresa es de 74 034,1 hectáreas, por lo que este volumen de tala total de 228 407 m3 significa que se pueden extraer anualmente 3 m3 de madera por cada hectárea cubierta de bosque. El volumen de madera aprovechable de 206 628, 9 m3 aporta un volumen de madera activa, es decir de bolos y rollizas de 144 639,6 m3, pues el 70 % del volumen de madera aprovechable corresponde al volumen de madera activa. De este volumen de madera activa el 45% corresponde al volumen de madera en bolo. Asimismo, el volumen de madera en bolo que se obtiene considerando todos los tipos de corta es de 92 983,0 m3.
Se calculó la biomasa forestal a partir de la fórmula propuesta por Mercadet y Álvarez (2009).
BMf = Vf * De⁄ 1000
Donde:
De: Densidad específica para cada especie (kg⁄m3)
BMf - Biomasa del fuste (t)
Densidad de la madera:
Dicrostachys cinerea (marabú): 1,11-1,23 g/cm3.
Pinus caribaea var. caribaea Morelet Barret y Golfari (pino macho): 1,194 -126 g/cm3
Eucalyptus sp: 1,20 g/cm3
El valor de la biomasa del fuste fue ajustado ya que no incluye la totalidad del árbol (ramas y follajes) a partir del factor de expansión (FEB), señalado por Brown (1997) citado por Rodríguez (2005) aplicando la siguiente expresión:
BMT = BMf * FEB * S
Dónde: BMT: Biomasa total (t)
BMf: Biomasa del fuste (t)
FEB: Factor de expansión de la biomasa (ramas y follaje) = 1,74
S: superficie
Para el caso de la biomasa de Pinus caribaea (pino macho) de ramas y follaje también se empleó las ecuaciones encontradas por Vidal et al. (2004).
Log B. F. = 0, 6886 + 1, 5009*Log dap + C
B.F: Biomasa de follaje
Donde:
C = 0,150178
Log B. R = -1,1686 + 1,9066*Log dap + C
Donde:
B.R: Biomasa de ramas
C=0,270603
Estos resultados permitieron realizar el análisis de las tecnologías existentes para la producción de energía partir de los residuos forestales y proyectar el flujo tecnológico de la tecnología de producción de energía eléctrica en función de las capacidades de residuos forestales existentes.
La tecnología propuesta se realizó a partir de los resultados de las tecnologías existentes, así como las potencialidades y disponibilidad de biomasa de residuos existentes en la Empresa Agroforestal Macurijes (Figura 2).
Resultados y discusión
Selección de la tecnología
La Tabla 1 resume las principales tecnologías mencionadas y sus aplicaciones.
Tabla 1 Resumen de las tecnologías y sus principales aplicaciones.
| Tecnologia | Principal producto | Principal aplicación |
|---|---|---|
| Combustión | Calor | • Generación de potencia usando turbinas de vapor. • Sistemas de Calefacción. |
| Pirolisis | Bio - crudo | • Producción de combustibles líquidos y otros derivados del crudo. |
| Gasificación | Gas Metano | • Generación de potencia usando motores a gas. • Sistemas de calefacción. |
| Digestión Anaerobia | Gas Metano | • Generación de potencia usando motores a gas. • Sistemas de calefacción. |
| Licuefacción | Bio- Crudo | • Producción de combustibles líquidos y otros derivados del crudo. |
| Fermentación | Etanol | • Producción de bio combustibles líquidos principalmente para el transporte. |
McKendry (2002) afirma que lo primero que se debe determinar en un proyecto de generación de energía a partir de biomasa, es la forma final de uso de esta energía, con el fin de diseñar una hoja de ruta adecuada.
Determinación de las potencialidades de biomasa de las principales especies del aprovechamiento.
La Tabla 2 muestra las potencialidades de biomasa por principales especies del aprovechamiento en plantaciones y de marabú naturalmente.
Tabla 2 Potencial biomasa EAF Macurije
| Fuente de biomasa | m3/año | t/año @@@{Oño |
|---|---|---|
| Residuos de la industria (Total) | 12 267 | 9 117 |
| De pino | 12 108 | 8 960 |
| De eucalipto | 159 | 157 |
| Tala rasa plantaciones degradadas de Eucalipto | 5 746 | 5 660 |
| Desmonte de Marabú / Plantaciones energéticas | 19 643 | 21 607 |
| Residuos de tala rasa, raleo y limpieza de marabú de plantaciones | 58 705 | 45 656 |
| Pino | 52 555 | 38 891 |
| Marabú limpieza de plantaciones | 6 150 | 6 765 |
| Total | 96 361 | 82 040 |
Las principales especies de aprovechamiento en las plantaciones son los residuos de tala rasa, raleo y limpieza de marabú de plantaciones con 58 705 m3/año y 45 656 t/año.
Estos resultados coinciden con los obtenidos por Paredes (2015) quien utilizó la biomasa de marabú para generar energía eléctrica.
Reyes et al. (2018) diseñaron una planta de torrefacción de marabú con fines energéticos, a partir de las potencialidades de dicha especie.
Disponibilidad de biomasa de residuos del aprovechamiento
En la Tabla 3 por su parte se muestra la disponibilidad de biomasa de residuos del aprovechamiento y de la silvicultura en relación a la limpieza de Marabú.
Tabla 3 Disponibilidad de biomasa
| Fuente de biomasa | m3/año | t/año |
|---|---|---|
| Residuos de la industria (Total) | 12 267 | 9 117 |
| De pino | 12 108 | 8 960 |
| De eucalipto | 159 | 157 |
| Tala rasa plantaciones degradadas de Eucalipto | 5 746 | 5 660 |
| Desmonte de Marabú / Plantaciones energéticas | 19 643 | 21 607 |
| Residuos de tala rasa, raleo y limpieza de marabú de plantaciones. | 39 533 | 31 648 |
| Pino | 33 383 | 24 703 |
| Marabú limpieza de plantaciones | 6 150 | 6 765 |
La tabla muestra que la mayor disponibilidad de biomasa de residuos del aprovechamiento y de la silvicultura es de los residuos de tala rasa, raleo y limpieza de marabú de plantaciones con un total de 39 533 m3/año y 31 648 t/año.
Estos resultados coinciden con los obtenidos por Rubio et al. (2021) en un estudio sobre las propiedades del marabú cosechado con máquinas como combustible, para la generación de electricidad en el central azucarero Ciro Redondo.
Estudios similares fueron realizados por Toirac et al. (2018) al determinar modelos de biomasa área verde en plantaciones de Pinus maestrensis Bisse. Zequeira et al. (2021) elaboraron una metodología para la zonificación del potencial de biomasa con fines enérgicos orientada a empresas forestales. Gregorio (2020) en España hizo un análisis de la situación de la biomasa mostrando que el balance económico de esa actividad es positivo y sugiere un conjunto de medidas encaminadas a aprovechar las oportunidades para desarrollar la bioeconomía.
Además estos autores coinciden en la importancia del uso de residuos de la biomasa desde el punto de vista económico, por su vínculo con la implementación de los planes de manejo y su relación con la planificación de las operaciones en el aprovechamiento forestal, permitiendo un ahorro de recursos, fuerza de trabajo, materiales y equipos para las Empresas Agroforestales.
La tecnología seleccionada por la potencia a instalar es la de ciclo de Caldera de vapor (Figura 3).
La tecnología seleccionada por la potencia a instalar será la de ciclo de Caldera de vapor (Figura 4 y 5).
La figura 6 muestra el esquema de la tecnología de generación de electricidad
Fig. 6: Esquema de la tecnología de generación de electricidad
Evaluación económica de la tecnología propuesta
Valor de las ventas
El valor de las ventas anuales se calculó sobre la base de considerar un precio promedio de venta de electricidad según el Sistema Eléctrico Nacional (SEN) de 150 MLC/MWh y 250 MT/MWh. Con el propósito de alcanzar una rentabilidad aceptable de la inversión se asumió que en el precio de pago del préstamo (8 años) este precio sería de 185 USD/MWh y 308 MT/MWh, durante los años restantes estos precios serán 127 USD/MWh y 211 MT/MWh.
Indicadores económicos
El análisis de los indicadores económicos muestra que los resultados obtenidos son positivos.
El Valor Actual Neto (VAN) calculado con una tasa de actualización hasta el 14 % es mayor que cero en todos los casos. Las tasas internas de retorno (TIR) son satisfactorias con un valor del 15 % en MT y un 13, 42 USD. El periodo de recuperación de la inversión resulta en 6,71 y 7,15 años en MT y USD respectivamente.
Evaluación Económica
El valor de la inversión asciende a 56, 47 millones de pesos en MT, con un componente en divisas de 41,73 millones de USD. VAN es mayor que cero en todos los casos por lo que los flujos son positivos. TIR es satisfactoria con un valor del 15 % en MT y un 13,42 % en USD. El periodo de recuperación de la inversión es de 6,71 en MT y 7,15 años en USD respectivamente.
Efectos en divisas externos
Los ahorros asociados a esta inversión están dados por el combustible convencional importado que se sustituye en la generación de electricidad.
Precio del combustible /ton 559 USD /t y una equivalencia de 5,06 ton de pino al 25 % de humedad/ ton de combustible convencional sustituido en la generación de electricidad. El efecto de la inversión en el flujo de divisas externa resulta positivo desde el primer año obteniéndose un VAN 20, 2 y 17, 2 millones de USD al calcularse al 10 y 12 %.
Las ventajas del aprovechamiento del biogás con fines de producción de energía eléctrica son, reducir las emisiones de gases efecto invernadero (Paolini et al. 2018) y obtener ganancias económicas por la comercialización de electricidad (Vargas y González, 2019).
Conclusiones
La tecnología propuesta por la potencia a instalar es la de ciclo de Caldera de vapor ya que trabajan a alta presión son más fáciles de limpiar, evacuan las cenizas, productos de la combustión y son más seguras en su operación. El PCS promedio de 2,7 kcal/kg con una humedad del 40 % como consecuencia de la combinación de una biomasa heterogénea compuesta por varias especies forestales y el tratamiento previo que a esta se le dé. De acuerdo al estudio realizado sobre la biomasa que se puede recolectar en un año (62 000 t) y estableciendo que la planta trabaje 7 000 horas en un año teniendo en cuenta las paradas por mantenimiento periódicos debe consumir 1 666 t/día que representan alrededor de 7/t/horas alimentando una caldera que produzca vapor a 25 atm o bar a 460 oC y esta hacer una turbina acoplada a un generador eléctrico que entregue 6 MWh.
