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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambie. 29 (Sup. 3) 67-72, 2013
POTENCIAL ENERGÉTICO DE LA PAJA DE TRIGO EN EL VALLE DE MEXICALI
Conrado GARCÍA
1,2
, Gisela MONTERO
1
, Marcos CORONADO
1
y Marcela ACOSTA
2
1
Universidad Autónoma de Baja California, Instituto de Ingeniería. Calle de la Normal s/n, Col. Insurgentes
Este, CP 21280, Mexicali, B.C., México
2
Instituto Tecnológico de Mexicali, Academia de Química y Bioquímica. Av. Tecnológico s/n Col. Elías Calles,
CP 21396, Mexicali, B.C., México
* Autor responsable; cnrdgarciag@gmail.com
(Recibido agosto 2011, aceptado diciembre 2012)
Palabras clave: biomasa, energía renovable, paja de trigo, quemas agrícolas
RESUMEN
El trigo es uno de los granos que más se cultiva en el mundo debido a su relevancia
para la alimentación humana. En el año 2010, la superfcie sembrada con trigo grano
a nivel nacional fue del orden de 700 585 ha, con una producción de 3 676 707 t.
Con ello, el trigo se encuentra entre los principales granos cultivados con mayor
superfcie sembrada en el país. En 2010 el cultivo de trigo en Baja CaliFornia re
-
presentó el 14.4 % de la superfcie cultivada de trigo a nivel nacional y el 43.4 %
de la superfcie agrícola estatal, con 101 161 ha, lo que corresponde a 89 152 ha
para el municipio de Mexicali. Como remanente principal de la cosecha se obtiene
la paja de trigo, del cual solamente el 15 % tiene aplicaciones diversas y el 85 %
restante es considerado como residuo sólido cuya disposición es la quema in situ;
esta práctica inapropiada, es utilizada para disponer aproximadamente 553 188 t de
paja de trigo. Tales valores representan una opción de biomasa residual que resulta
atractiva, desde el punto de vista energético, por los grandes volúmenes disponibles
y alto contenido de energía. Por lo tanto, el presente trabajo muestra los resultados
de una evaluación de procesos de transformación de 9.57 PJ de energía contenida
en la paja de trigo. Tal energía podría utilizarse mediante la combustión para la
generación de electricidad, que representa 13.98 % de la capacidad instalada en el
parque geotérmico Cerro Prieto (720 MW), ubicado en el Valle de Mexicali y 10.6
veces la capacidad instalada en el parque eólico La Rumorosa (10 MW), localizado
en el municipio de Tecate. Otra alternativa de transformación de la paja de trigo es
procesarla en combustibles como biogás o bioetanol, con un potencial de producción
de 3.91 PJ y 4.04 PJ, respectivamente.
Key words: biomass, energy, renewable energy, wheat straw, agricultural burning
ABSTRACT
Wheat is one of the most cultivated grains in the world because of its relevance for
human consumption. Wheat is among the main crops in Mexico. In 2010, the wheat
surface in Mexico was around 700 585 ha, with a yield of 3 676 707 t. In the same
year, the wheat crop in Baja California represented 14.4 % of the national wheat
C. García
et al.
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surface and 43.4 % of the state agricultural area, with 101 161 ha, of which 89 152
ha correspond to the municipality of Mexicali. Around 15 % of wheat straw genera-
tion is used for different applications and the remaining 85 %, approximately 553
188 t, are burned in situ. This considerable quantity of residual biomass is attractive,
from the energy point of view, because of its high availability and energy content.
Therefore, the present work shows the results of an evaluation of the transformation
processes of 9.57 PJ recoverable from wheat straw. Such energy could be used by
combustion for electricity generation, representing 13.98 % of the installed capacity
of the geothermal park, Cerro Prieto (720 MW), located in the valley of Mexicali and
10.6 times the installed capacity of the wind farm La Rumorosa (10 MW), located
in the town of Tecate. Another alternative of wheat straw processing is to convert it
into fuels such as biogas or bioethanol, with a potential production of 3.91 and 4.04
PJ, respectively
INTRODUCCIÓN
Mexicali es la ciudad capital del estado de Baja
California, colinda al norte con Estados Unidos de
América; al este con el estado de Sonora y el Golfo
de California; al sur con el municipio de Ensenada
y al oeste con los municipios de Ensenada y Tecate
(INFDM 2005). Entre sus principales actividades
económicas destaca la agricultura con gran relevancia.
La zona agrícola del Municipio de Mexicali se deno-
mina Valle de Mexicali (VM), se encuentra ubicada
en la región este y parcialmente dentro del delta del
río Colorado. Esta zona agrícola, forma parte de una
unidad geográfca compartida con el Valle Imperial
del vecino estado de California, Estados Unidos de
América, separados artifcialmente por la división
política entre ambos países (Moreno y López 2005).
El trigo es el principal cultivo en el Valle de
Mexicali de acuerdo con lo reportado en 2010, con
una superfcie cultivada de 89 152 ha (SFA 2011).
El trigo en el VM es utilizado comúnmente para la
obtención de grano con diversas aplicaciones y como
forraje para el ganado, previo al espigamiento donde
es aprovechado en su totalidad. El rendimiento pro-
medio del trigo cosechado en el VM es de 6.3 ton/ha,
destacándose su calidad reconocida nacionalmente
como una de las más sanas del país, libre de enfer-
medades. El cultivo de trigo se realiza en el periodo
denominado otoño-invierno y la siembra se efectúa
en diciembre y a principios de enero. La madurez
fsiológica del trigo llega a los 125 días después de su
siembra y la cosecha tiene una duración aproximada
de 2 a 3 semanas (INIFAP 2008).
El 85 % de la paja de trigo que se genera en cada
cosecha, es quemado in situ a cielo abierto (Moncada
y Quintero 2008). La quema de los residuos del cul-
tivo de trigo, es una práctica común que utilizan los
agricultores del VM para disponer de tales residuos,
puesto que reduce los costos en la preparación de la
tierra para el próximo ciclo agrícola y además evita
la propagación de plagas y enfermedades en futuros
cultivos.
Además del desaprovechamiento energético que
implican las quemas agrícolas, éstas tienen asociadas
emisiones considerables que deterioran el ambiente.
Por ello, el objetivo de este trabajo consistió en esti-
mar la energía liberada por la combustión de la paja
de trigo en el Valle de Mexicali. Asimismo, evaluar
otros procesos de transformación para el aprove-
chamiento de este residuo, tales como la obtención
de biogás y de bioetanol. Estos biocombustibles son
recursos energéticos procesados por el ser humano
a partir de materias producidas por seres vivos, a
las cuales se les denomina biomasa y en el caso de
los residuos agrícolas y forestales están compuestos
principalmente por celulosa. La fase en la que se
encuentran puede ser líquida, sólida o gaseosa, y su
fnalidad última es liberar la energía contenida en
sus componentes químicos mediante una reacción
de combustión (Álvarez 2009).
Desde el punto de vista técnico y dependiendo de
sus características, es factible convertir los residuos
agrícolas en biogás o bioetanol a través de procesos
físicos, termoquímicos o bioquímicos; su porcentaje
de humedad y su contenido de celulosa y lignina, en
cada caso, determinan el proceso más conveniente
(Secretaría de Energía Argentina 2008).
Una alternativa a los biocombustibles es el apro-
vechamiento de la energía contenida en la paja de
trigo que puede ser empleada (previo tratamiento
físico como el peletizado) en una planta de ciclo
combinado para la generación de electricidad. La
efciencia reportada en la literatura de este tipo de
procesos, varía de 30 a 34 % para equipos que utilizan
residuos de madera como combustible en plantas de
potencia (IEA 2007).
POTENCIAL ENERGÉTICO DE LA PAJA DE TRIGO EN EL VALLE DE MEXICALI
69
La ventaja principal en la producción de bio-
combustibles a partir de residuos, es que no se des-
plazan tierras de cultivo destinadas a la producción
de alimentos. Sin embargo, aunque se aprovecharía
la energía química contenida en estos residuos, su
combustión generaría inevitablemente emisiones de
gases de efecto invernadero.
MATERIALES Y MÉTODOS
A continuación se describen los procedimientos
efectuados para cuantiFcar la energía a partir de la
paja de trigo, de los biocombustibles derivados y
su equivalencia en barriles de petróleo. Para ello, se
requirió información concerniente a la disponibili-
dad del recurso biomásico. Se consultó el sistema
de información estadística de los cultivos agrícolas,
disponible en la OFcina Estatal de Información
para el Desarrollo Rural Sustentable (OEIDRUS),
denominado Anuario Estadístico de la producción
Agrícola (SFA 2011), en relación con el sistema
producto trigo, para obtener información de la su-
perFcie cultivada.
Disponibilidad de biomasa y contenido de energía
Los cálculos del presente trabajo se basan en la
totalidad de la biomasa que se quema a cielo abierto,
que es del orden del 85 % de la paja de trigo genera-
da (Moncada y Quintero 2008). Aunque se cultivan
distintas variedades en el VM, se aplicó un índice de
generación promedio de 7.3 ton/ha (SENER 2009).
La paja de trigo según McKendry (2002) reporta un
poder caloríFco inferior (PCI) de 17.3 MJ/kg, valor
que se consideró en este presente trabajo, para el
desarrollo de los cálculos energéticos.
Enseguida, para determinar la disponibilidad de
energía contenida en la paja de trigo, se relacionaron la
superFcie agrícola cultivada de trigo, cuya disposición
es la quema a cielo abierto, con el índice de generación
de paja y el PCI. Una vez obtenidos los resultados de
la disponibilidad de energía, se estimó la equivalencia
energética expresada en barriles de petróleo.
Potencial de generación de energía eléctrica
La energía de la biomasa que se genera al Fnal
de cada ciclo agrícola podría ser aprovechada para
su transformación en energía eléctrica mediante una
planta de potencia. Para determinar la cantidad de
energía eléctrica, la biomasa generada se multiplica
por la eFciencia de transformación de energía, la cual
se deFnió con un valor del 30 % y se divide entre el
tiempo de operación, establecido en 11 meses.
Transformación de la biomasa en bioetanol y biogás
Además de la posibilidad de obtener energía calo-
ríFca mediante la combustión directa de la biomasa
residual del trigo, existe la posibilidad de extraer
otras formas de combustibles mediante tratamiento
bioquímico, esto es:
Bioetanol
. También denominado bioetanol celulósi-
co, para obtenerlo se requiere separar mediante en-
zimas o tratamiento físico, la lignina de la celulosa y
posteriormente hidrolizar las moléculas de celulosa
para romperlas y obtener los carbohidratos que serán
fermentados y convertidos en bioetanol, y mediante
la destilación puriFcar el alcohol obtenido (Cuervo
2009). Sin embargo, este proceso requiere una serie
de pretratamientos, lo que diFculta en cierta manera
la fermentación, debido a que se tiene que esteri-
lizar la materia para evitar la contaminación por
microorganismos. Para este proceso se consideró
un rendimiento de transformación de bioetanol de
0.270 t por tonelada de paja de trigo procesada, con
un poder caloríFco de 26.8 MJ/kg (SENER 2009).
Biogás
. El mecanismo predominante para la conversión
de la biomasa en biogás es la conversión bioquímica
o digestión de biomasa orgánica, que debe entenderse
como un proceso natural que involucra varios procesos
bacterianos y enzimáticos simultáneamente. El método
más común de producción de biogás es la digestión
anaeróbica en un tanque cerrado llamado biodigestor.
El biogás obtenido en esta transformación lo constituye
una mezcla de gases combustibles y su composición
depende del tipo de material orgánico utilizado para su
producción y de las condiciones de operación de los re-
actores donde ocurre la transformación (Vinasco 2009).
El rendimiento de transformación para la obtención de
biogás es de 0.29 t por tonelada de paja de trigo, y el
poder caloríFco promedio es de 23.8 MJ/kg (Donald
1998), considerando una relación 60 % metano y 40 %
anhídrido carbónico.
Para determinar la energía contenida en el bioeta-
nol y biogás, se multiplicó la disponibilidad de bio-
masa, por el rendimiento de transformación y poder
caloríFco promedio de cada biocombustible, con lo
cual se obtuvo la energía total, que fue expresada en
barriles de petróleo.
RESULTADOS
Los resultados destacan la participación del cul-
tivo de trigo a nivel nacional para el año 2010, en el
C. García
et al.
70
que se cosechó una superfcie de 700 585 ha lo que
representa el 3.2 % de la superfcie agrícola total.
Para ese mismo año, Baja California, se ubicó en el
segundo lugar de los estados de México con mayor
superfcie de trigo cultivada, con el 14.4 %, precedido
por el estado de Sonora, como se puede apreciar en
la
fgura 1
.
Para el ciclo agrícola 2010, el VM fue el principal
productor de trigo en el estado de Baja California,
con 89 152 ha cultivadas, seguido por el municipio
de Ensenada con 11 986 ha, según se aprecia en la
fgura 2
. El municipio de Tecate cuenta con superf
-
cies cultivadas de trigo poco signifcativas, y en los
municipios de Tijuana y Playas de Rosarito, el cultivo
de trigo es nulo.
Con base en la superfcie cultivada de trigo en
el VM de 89 152 ha, se obtuvo una estimación de
553 188 t de paja de trigo, disponible para su trans-
formación en diversas formas de biocombustibles.
Esta información constituye el punto de partida para
determinar la disponibilidad de las diferentes formas
de biocombustibles, junto con los datos referentes a
los tratamientos específcos a los que es posible so
-
meter la paja de trigo y obtener el producto deseado.
Potencial energético de la paja de trigo
A partir de la disponibilidad de paja de trigo, así
como de las características de rendimiento antes
citadas, se obtuvo la cantidad de energía por tipo de
proceso, los cuales se muestran en el
cuadro I
.
La paja de trigo podría ser utilizada como combus-
tible en una planta de potencia nominal de 100 MW
de capacidad instalada, que operase 11 meses al año.
DISCUSIÓN
La energía contenida en la biomasa que se ge-
nera al fnal de cada ciclo agrícola es de 9.57 PJ,
lo que equivale a 1 499 789.24 barriles de petróleo.
La disponibilidad de transformación de la paja de
trigo en biogás es del orden de 3.91 PJ equivalente
a 632 433.73 barriles de petróleo; mientras que para
el bioetanol es de 4.04 PJ que equivale a 612 591.95
barriles de petróleo. Existe una clara disminución
de la cantidad de energía equivalente en forma de
biogás y bioetanol en relación con la contenida en
la biomasa residual de trigo, esto se atribuye a las
pérdidas energéticas de los procesos de conversión
de la biomasa.
La electricidad que potencialmente podría gene-
rarse a partir de la biomasa residual de la cosecha del
trigo representa el 13.98 % de la capacidad instalada
de generación de energía eléctrica del parque geotér-
mico Cerro Prieto (720 MW), ubicado en el Valle
de Mexicali y 10.6 veces la capacidad instalada del
CUADRO I.
DISPONIBILIDAD DE FORMAS DE ENERGÍA PARTIR DE LA PAJA DE TRIGO
Proceso de conversión
Producto
Relación de
rendimiento de
biocombustible
kg de
biocombustible/t de
paja de trigo
PCI MJ/kg
Energía
disponible PJ
Barriles
equivalentes de
petróleo
Tratamiento físico
Biomasa
1:1
1000.00
17.3
9.57
1 499 789.24
Fermentación alcohólica
Bioetanol
1:0.27
272.21
26.8
4.04
632 433.73
Biodigestión anaerobia
Biometano
1:0.29
296.90
23.8
3.91
612 591.95
Sonora
Baja
California
0%
5%
10%
15%
20%
25%
Superficie agrícola cosechada de
trigo por Estado (%)
30%
35%
40%
45%
Guanajuato
Tlaxcala
Michoacán
Zacatecas
Fig. 1.
Distribución de los estados de México con mayor super-
fcie cosechada de trigo
Fig. 2.
Superfcie sembrada (ha) de trigo por municipio en Baja
California
Mexicali
Ensenada
0%
10%
20%
30%
40%
50%
Superficie agrícola cosechada
por Municipio (%)
60%
70%
80%
90%
Tecate
Tijuana
Playas de
Rosario
POTENCIAL ENERGÉTICO DE LA PAJA DE TRIGO EN EL VALLE DE MEXICALI
71
parque eólico La Rumorosa (10 MW), localizado en
el municipio de Tecate.
En la actualidad, esta cantidad de energía es li-
berada al ambiente sin provecho alguno, después de
cada ciclo agrícola, generando además problemas de
contaminación por la combustión de los residuos del
cultivo de trigo, por lo que es urgente implementar
proyectos mediante los cuales se aproveche esta
biomasa, ya sea para ser transformada o utilizada
directamente para su combustión. Es así, que este
trabajo permitió detectar un área de oportunidad para
disponer de un residuo y al mismo tiempo aprovechar
su contenido de energía.
Para efectuar las estimaciones reportadas en
este trabajo, se tom
ó de revistas científcas un PCI
representativo para las distintas variedades que
actualmente se cultivan en el VM, lo cual constituye
una limitante de los resultados presentados.
CONCLUSIÓN
La paja de trigo generada en el VM resulta atracti-
va, desde el punto de vista energético, por los grandes
volúmenes disponibles y el elevado contenido ener-
gético de este material.
La bioenergía y las tecnologías que hacen posible
su aprovechamiento tienen un gran potencial para
satisfacer las necesidades energéticas de los seres
humanos y para contribuir a la sustitución de las
fuentes energéticas fósiles y nucleares. Sin embar-
go, requiere que su explotación se haga en términos
sustentables para que se aproveche mejor su carácter
regenerativo, lo cual la convertiría en una fuente
renovable. Es necesario que su desarrollo se realice
conciliando los conFictos de uso del suelo y de la
producción de alimentos, propiciando el desarrollo
y la equidad social.
Todas las opciones analizadas de utilización de
la biomasa residual de trigo como biocombustible,
tienen en común que no compiten con alimentos,
lo que signifca que pueden ser clasifcadas como
procesos de biocombustibles de segunda generación.
La implementación de este tipo de proyectos de
producción de energía coadyuvaría en la diversifca
-
ción de energéticos en Baja California, asegurando
de forma parcial el suministro de energía eléctrica
y energía primaria y con ello la disminución de
la dependencia hacia los combustibles derivados
del petróleo. Desde el punto de vista económico
se apoyaría el desarrollo del campo debido a que
se le daría un valor agregado a un material que se
considera residuo.
Una de las limitantes del uso de la biomasa residual
en la generación eléctrica o para su conversión en
bioetanol o biodiésel, es la ubicación de la planta de
procesamiento de la paja de trigo, la cual se aconseja
instalar lo más cercano a la fuente de generación de la
materia prima, para evitar gastos de transporte.
El presente trabajo sienta las bases para evaluar las
diferentes opciones de transformación de la biomasa
residual del cultivo de trigo del Valle de Mexicali,
en bioenergía.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece a CONACyT y al Instituto de
Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja
California por el apoyo brindado para la realización
del presente trabajo.
REFERENCIAS
Álvarez C. (2009). Biocombustibles: desarrollo histórico-
tecnológico, mercados actuales y comercio internacio-
nal. Economía Informa 359, 63-89.
Cuervo L., Folch J. L., Quiroz R. E. (2009). Lignocelu-
losa Como Fuente de Azúcares Para la Producción de
Etanol. BioTecnología, 13, 11-25.
Donald L. (1998). Biomass for renewable energy, fuels
and chemicals. Academic Press. San Diego California.
609 pp.
IEA (2007). Biomass for power generation and CPH. In-
ternational Energy Agency. http://www.iea.org/techno
/essentials3.pdf [en línea] 03/04/2011.
INIFAP (2008). Estudio estadístico-documental sobre
variedades, grupos y calidad de trigo del Valle de
Mexicali. Instituto Nacional de Investigaciones Fores-
tales, Agrícolas y Pecuarias. http://www.oeidrus-bc.
gob.mx/oeidrus_bca/biblioteca/Estudios /Agricolas/
variedadesTrigo.pdf [en línea] 02/05/2011.
INFDM, Instituto Nacional para el Federalismo y el Desar-
rollo Municipal (2005). Gobierno del Estado de Baja
California. Enciclopedia de los municipios de México,
Estado de Baja California, Mexicali. http://www.e-
local.gob.mx/work/templates/enciclo /bajacalifornia/
municipios/02002a.htm [en línea] 02/05/2011.
McKendry P. (2002). Energy production from biomass
(part 1): overview of biomass. Bioresource Technol.
83, 37-46.
Moncada A. y Quintero M. (2008). Contaminación y
control de las quemas agrícolas en Imperial, California
y Mexicali, Baja California. Región y Sociedad XX,
3-24.
C. García
et al.
72
Moreno M. y López M. (2005). Desarrollo agrícola y uso
de agroquímicos en el Valle de Mexicali. Estudios
Fronterizos, 6, 119-153.
Secretaría de Energía Argentina. (2008). Energías Renov-
archivos/publicaciones/libro_energia_biomasa.pdf [en
línea] 02/08/2011.
SENER (2009). Potenciales y Viabilidad del Uso de
Bioetanol y Biodiesel para el transporte en México.
Secretaría de Energía. http://www.sener.gob.mx/
res/169/Biocombustibles_en_Mexico_ Estudio_Com-
pleto.pdf [en línea] 05/04/2011.
SFA. (2011). Anuario Estadístico de la producción Agrí-
cola para el Estado de Baja California. Secretaría de
Fomento Agropecuario. www.sfa.gob.mx [en línea]
05/08/2008.
Vinasco S. (2009). Tecnología del biogás. www.bvsde.
paho.org/bvsaar/e/fulltext/gestion /biogas.pdf [en
línea] 05/08/09.
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