Estimación del potencial energético de los residuos industriales en el aserrío Cayogüin de Baracoa

Estimation of the energy potential of industrial waste in the Cayogüin sawmill in Baracoa, Cuba

La gasificación es una técnica emergente con potencial crecimiento en la valorización energética de los residuos sólidos, dada su capacidad para convertir este material en un gas combustible amigable con el medioambiente (Achinas, 2020) y reducir la contaminación que provocan estos residuales. El uso de biomasa forestal para la obtención de energía eléctrica representa una de las disyuntivas que puede suplir el consumo de energía del sistema electroenergético nacional a largo, mediano y corto plazo; lo que propiciaría una mayor diversificación en la matriz energética en las industrias procesadoras de madera.

En la actualidad las tecnologías convencionales más usadas en el mundo para generar energía son alimentadas con petróleo o carbón como fuentes primarias, lo que produce enormes cantidades de CO2, entre otros gases, que provocan el efecto invernadero y el calentamiento global. La reducción de estos gases es el fundamento para incentivar y desarrollar proyectos con fuentes alternativas de energía en países que cuenten con potencial, tales como alta radiación solar, velocidad de viento o residuos de biomasa (Pantoja et al. 2016). En este sentido el material gasificado proviene del residuo sólido que genera el proceso productivo de las fábricas y aserríos.

El estudio se enmarcó en el desempeño de la composición y poder calorífico del gas producido según la materia utilizada.

A diferencia de los anteriores, en este estudio se consideró el proceso en cuestión, sometido a restricciones que garanticen que el gas producido pueda ser convertido posteriormente en combustible sintético (Im-orb, et al. 2016), por lo que se hizo una serie de estudios encaminados al aprovechamiento óptimo de estos residuos forestales.

Por todo lo antes planteado el estado cubano se ha dado la tarea de encauzar proyectos para el aprovechamiento de esta energía renovable. En la actualidad existen cuatro instalaciones de gasificación de madera. Las autoridades de la provincia y, en especial, del Centro de Aplicaciones Tecnológicas para el Desarrollo Sostenible (Catedes) trabajan de conjunto con la Empresa Agroforestal de Baracoa para desarrollar un proyecto encaminado a la instalación de un gasificador de madera en el aserrío Cayogüin.

En este trabajo se utilizó un modelo del proceso basado en el equilibrio termoquímico no estequiométrico de la madera, teniendo en cuenta que se pierde el 80 % por la generación de electricidad con la instalación de un sistema de gasificación. El trabajo se realizó en el municipio Baracoa en la reserva forestal Nipe-Zagua-Baracoa, provincia de Guantánamo, por las características de sus paisajes naturales. En esta zona existe una diversificación de especies vegetales que potencia la biodiversidad y los procesos biológicos naturales por encima y por debajo de la superficie del suelo, lo que contribuye a un mayor aprovechamiento del agua y una mayor eficiencia en el uso de nutrientes, así como a la mejora y sostenibilidad de la producción de cultivos.

Se trabajó con los tratamientos silviculturales como una herramienta más del proceso de manejo de bosques naturales, procurando mantener la productividad y rentabilidad del recurso forestal (Abarca et al., 2020).

En este estudio se desarrollaron ecuaciones para determinar experimental mente el volumen de residuos forestales. Para obtener estos valores se tuvo en cuenta el proceso productivo en el aserrío primario, donde se elaboran los bolos procedentes de las fincas forestales, y un aserrío secundario, donde se produce la madera aserrada y los artículos, para poder estimar el potencial energético (Brosowski et al., 2016).

Para desarrollar el trabajo se emplearon los datos acumulados de la producción del aserrío en el período 2016-2020, como se muestra en la tabla 1.

En la tabla 2 se presentan los coeficientes de densidad aparente en función de los residuos primarios y los residuos secundarios de la madera. Estos coeficientes se establecen a partir de estudios realizados, en los cuales se determinó su potencial anual expresado en toneladas de petróleo equivalentes; en este caso estos coeficientes de la tabla 3 y las densidades aparentes de la madera (tabla 2) se obtuvieron a partir de la cantidad de madera en bolos y madera aserrada (tabla1) en los últimos 5 años.

El tiempo de trabajo del aserrío durante el período analizado es de 4047 horas.

También se determinó la cantidad de residuos, tanto primarios como secundarios, y el total generado; los cuales se obtuvieron a partir de las siguientes expresiones (1), (2), (3):

Expresiones de la cantidad de residuos secundarios (4), (5), (6)

donde

Aserrín: cantidad de aserrín generado, tanto primario como secundario

Costanera: cantidad de costanera generada

Virutas: cantidad de virutas generada

Astillas: cantidad de astillas generada, tanto primaria como secundaria

CR: coeficiente de residuos, tanto primario como secundario

Ƿ: densidad de los residuos, tanto primario como secundario

A partir de la cantidad de biomasa de residuos primarios y secundarios se utilizó la siguiente ecuación para determinar el total de los residuos como primarios y secundarios:

donde:

TPS: Total de residuos primarios y secundarios

TP: Total de residuos primarios

TS: Total de residuos secundarios

La mayor parte de estos residuos son de carácter orgánico, que forman la denominada biomasa residual forestal que no se aprovecha, contamina el medioambiente y constituye un enorme potencial para la producción de energía limpia; estas grandes cantidades de residuos se puede determinar por la ecuación 1. La biomasa residual ofrece perspectivas muy amplias de aprovechamiento, ya que se produce de forma continua y creciente como consecuencia de la actividad humana; además, su eliminación constituye un importante problema (Reyes et al., 2020).

donde:

DH: Disponibilidad horario de los residuos

TPS: Total de residuos primarios y secundarios

HTrab: Total de horas trabajadas en los 5 años

Se utilizaron las expresiones 2 y 3 para el cálculo de la generación de residuos en el aserrío primario y secundario; después de tener la disponibilidad horario se calculó el porciento de coeficiente de residuos forestales (Dupuy et al., 2019), teniendo en cuenta que la humedad responde al medio de prueba, a partir de la toma de la muestra (residuos forestales), los cuales se procesaron en el laboratorio de la Geominera de Oriente. Los resultados arrojaron que la masa de trabajo (Wt) es de 21,54 % y el poder calorífico (Qtb) 16,5 MJ/Kg a, estas condiciones se obtuvieron bajo regímenes normales de trabajo, utilizando la composición del pino en porciento (C= 47.95, H= 6.03, O=45.00 y el N=1.02). Se utilizó el modelo propuesto por Lesme et al. (2006) y Jianfeng et al. (2010). También se determinó que el coeficiente de residuos forestales es el que determina la cantidad de energía que presenta la madera procesada en el espacio de tiempo trabajado.

donde:

%CRF: % de coeficiente de residuos forestales

DH: Disponibilidad horario de residuos

Poder calorífico bajo de la madera

La generación de electricidad utilizando gas de la biomasa como combustible en motores de combustión interna es una tecnología comercial (Lesme et al., 2016). En este sentido el trabajo tiene como fin determinar la generación anual de electricidad en el aserrío Cayogüin, a partir de la determinación del coeficiente de residuos forestales. En el proceso de gasificación de la madera solo se utiliza el 20 % los residuos forestales para la generación de electricidad.

donde

%Cee : Generación anual electricidad Aserrío Cayogüin con residuos forestales.

La investigación se realizó en el Aserrío Cayogüin del municipio Baracoa, de la provincia de Guantánamo.

Acorde con los resultados obtenidos por los parámetros, tales como los residuos primarios, con un total de 7858895,42 Kg anuales, y secundarios, con 3546375,84 Kg anuales, se pudo determinar el total de residuos generados, con 11405271,26 Kg anuales. En correspondencia con lo antes planteado, se observa en la figura 1 que existe una gran cantidad de estos residuos, sin un destino final, y dispuestos en áreas cercanas a la industria.

Después de determinar esta masa de residuos fue posible obtener los resultados de disponibilidad horaria, así como también el porciento de gasificación de los residuos. Esto contribuyó a la obtención de los valores que se aprecian en la figura 2, donde existe una correspondencia lineal en la disponibilidad horaria, así como también en el porciento de gasificación de los residuos. La R-cuadrada de los dos modelos 0,6932 significa que hay un ajuste apropiado en los dos factores antes mencionados, ya que estos valores exceden el umbral del 0,6, tal como expresó Webster (2000). En el caso de la gasificación de los residuos, el mejor año es 2018 y el peor 2019, los otros tres se mantienen estables; esto se encuentra referenciado según el comportamiento de producción del aserrío en sus dos etapas, tanto en la primaria como en la secundaria. Estos resultados son acordes con los obtenidos por Raza et al. (2018) y Arvind & Thakur (2019). En el estudio realizado se mantienen estable en los primeros cuatro años, con un ligero descenso en el último año.

Varios investigadores apuntan su investigación a la mejora del rendimiento de la gasificación de corriente a partir del modelo gasificador downdraft (Dupuy et al., 2019; Lesme et al., 2016; Suhartono, et al., 2016; Tavares et al., 2019). En tal sentido y como se puede valorar en la figura 3, en cuanto al comportamiento de las pérdidas del 20 % contra los años de generación, el mejor año fue 2018 y el peor de todos 2019. Los años 2015, 2016 y 2017 se mantuvieron estables en correspondencia con lo que se muestra en la figura 2. Para que se cumpla el proceso de pérdidas producto del proceso de la gasificación de los residuos forestales se debe aplicar la tecnología de gasificador acoplado al motor de combustión interna, que se divide en tres partes fundamentales, tales como la producción de gas, la limpieza de ese gas de síntesis y el grupo electrógeno donde se acopla el motor con el generador, como se puede apreciar en la figura 4. Sin embargo, en estudios similares, por ejemplo, en España, se han empleado estos sistemas con una alta eficiencia, combinados con bioenergéticos, lo que genera más energía eléctrica que la energía fósil consumida, según lo reportado en la bibliografía (Martín, 2017). Es necesario continuar las investigaciones que permitan desarrollar en la provincia de Guantánamo tecnologías que empleen estos residuos que contamina al medioambiente, de modo que generen energía limpia.

En el presente trabajo se evaluó el comportamiento del potencial energético para la generación de electricidad, a partir de residuos generados de la elaboración de la madera en un aserrío. Desde el punto de vista de la relación de la disponibilidad horaria y su comportamiento en los 5 años estudiados el resultado fue de 3,91 Kg/s. El potencial que tiene el aserrío en el tiempo por la acumulación de los residuos es de 64,45 MW, lo cual confirma la efectividad de la generación de electricidad.