rtqTecnología QuímicaRTQ2224-6185Universidad de Oriente00012Artículo originalAnálisis de ciclo de vida del aprovechamiento energético de los residuos (tusa) de la cosecha de maíz (Zea mays) en la provincia de Los Ríos, EcuadorLife cycle analysis of the energy use of the waste (corn cob) of the corn crop (Zea mays) in the province of Los Ríos, EcuadorMartillo AseffeJosé Alfonso1Lesme JaénRené2*OlivaRuizLuis Oscar2Martínez GonzálezAldemar3Silva LoraElecto Eduardo3 Universidad Católica de Guayaquil, Ecuador.Universidad Católica de GuayaquilEcuador Universidad de Oriente. Santiago de Cuba. Cuba.Universidad de OrienteUniversidad de OrienteSantiago de CubaCuba NEST-Excellence Group in Thermal Power and Distributed Generation, Institute of Mechanical Engineering, Federal University of Itajubá. Itajubá. Brazil.NEST-Excellence Group in Thermal Power and Distributed Generation, Institute of Mechanical EngineeringFederal University of ItajubáItajubáBrazil
Autor para la correspondencia. Correo electrónico: lesme@uo.edu.cu
Los autores declaran que no existen conflictos de intereses
Sep-Dec20193936556720809201815012019Este es un artículo publicado en acceso abierto bajo una licencia Creative CommonsRESUMEN
La agricultura enfrenta hoy tres nuevos desafíos, el cambio climático, la desertificación y la pérdida de la biodiversidad de los suelos, provocado por las malas prácticas culturales en los sistemas agropecuarios y es necesario estos sistemas tengan como objetivo no sólo proporcionar alimentos, sino energía a partir de todos los desechos.
El maíz es un producto que se cultiva en casi todo el mundo y durante el proceso de cosecha se generan residuos tales como tusas, hojas, tallos que pueden ser utilizados como fuentes de energía.
En objetivo del presente trabajo es realizar un análisis de ciclo de vida del aprovechamiento energético de la tusa, determinándose los coeficientes de residuos y su potencial energético en la provincia de Los Ríos, Ecuador, obteniendo que por cada tonelada de maíz cosechado se obtienen 1,665 toneladas de residuos, de las cuales 0,613 toneladas son tallos, 0,309 toneladas hojas, 0,277 toneladas de raíces y 0,186 toneladas de tuzas.
El análisis del ciclo de vida de la producción de energía eléctrica a partir de la tusa con tecnologías de gasificación y motor de combustión interna muestra un potencial energético de 15.72 GJ/ha por cosecha y un índice de generación eléctrica de 115.20 kWh/ton de maíz producido. Por otra parte, la huella de carbono en términos de emisiones de gases de efecto invernadero para los escenarios evaluados fue de 913 kg CO2-eq/t de maíz y 797 kg CO2-eq/t de maíz, respectivamente, con una reducción de emisiones de 12.7% por cosecha.
ABSTRACT
Agriculture faces three new challenges today, climate change, desertification and the loss of soil biodiversity, caused by poor cultural practices in agricultural systems and it is necessary these systems not only to provide food, as well energy to from all the waste.
Maize is a product that is grown in almost all the world and during the process of harvest residues such as corn cobs, leaves, stems that can be used as energy sources are generated.
The objective of this work is to perform a life cycle analysis of the energy use of the corn cob, determining the waste coefficients and their energy potential in the province of Los Ríos, Ecuador, obtaining that for each ton of corn harvested 1,665 tons are obtained of waste, of which 0.613 tons are stems, 0.309 tons leaves, 0.277 tons of roots and 0.186 tons corn cobs.
The life cycle analysis of the electrical energy production from the corn cobs with gasification technologies and internal combustion engine shows energy potential of 15.72 GJ / ha per harvest and an electric generation index of 115.20 kWh / ton of corn produced. On the other hand, the carbon footprint in terms of greenhouse gas emissions for the scenarios evaluated was 913 kg CO2-eq / t of corn and 797 kg CO2-eq / t of corn, respectively, with a reduction in emissions of 12.7% per harvest.
Palabras clave:Biomasaresiduos de maízaprovechamiento energéticoKeywords:Biomasscorn residuesenergy useIntroducción
La generación y gerencia de residuos constituyen dos temas prioritarios en las sociedades modernas. La gestión inadecuada producen impactos notables en los medios receptores, sin embargo, cuando los residuos se gestionan de forma adecuada se convierten en recursos útiles que contribuyen al ahorro de materias primas, a la conservación de los recursos naturales y del clima. 1,2
Las fuentes y tipos de residuos son distintas en cada país, sin embargo, dado el aumento sostenido de la producción agropecuaria, especial atención merecen los residuos de las cosechas agrícolas, los cuales pueden ser utilizados como fuentes de energía y la estimación de su potencial energético, así como, los impactos derivados de su utilización constituye una tarea importante para implementar proyectos tecnológicos que permitan su valorización energética.
Una herramienta útil para llevar a cabo una gestión integral de los residuos es el Análisis del Ciclo de Vida (ICV), 3,4,5 el cual comienza en el momento en que un material se convierte en residuo, y termina cuando deja de serlo y se convierte en un producto útil, en energía aprovechable o en un material inerte.
Varios son los estudios recientes dedicados a valorizar los residuos en diferentes países. (6,7,8,9,10,11 Las metodologías aplicadas se fundamentan en la utilización de coeficientes que estiman la cantidad de residuos producidos por áreas de cosechas o por unidad de masa de productos cosechados. Estos coeficientes de residuos han sido obtenidos experimentalmente.
En el caso de los residuos de la cosecha de maíz, se han reportado coeficientes totales de residuos entre 0.5 - 3.2 kg de residuos por kg producto (kgr/kgp) en países de América del Norte y del Sur, Asia Oriental y Meridional y Europa Oriental, valores entre 1-2 kgr/kgp en el caso de China y 1 kgr/kgp en México, encontrándose ligeras diferencias en cuanto a la forma de cosecha.12,13,14,15
La valorización energética de los residuos se ha realizado a través de su utilización como combustibles en tecnologías de conversión energética. 2,6,11,18
Se han desarrollado estudios relacionados con la gasificación y el uso del gas en el secado granos agrícolas y generación de electricidad, pero no se reportan estudios dedicados a evaluar los posibles impactos ocasionados por su aprovechamiento energético. 16,17
El objetivo del presente trabajo es realizar un análisis de ciclo de vida de la cosecha de maíz en la provincia de los Ríos, Ecuador, que permita estimar los volúmenes de residuos y en el caso de la tusa evaluar su potencial energético e impactos para su utilización como combustible fuente en tecnologías gasificación y motores de combustión interna (MCI).
Materiales y MétodosCultivo y cosecha de maíz en el Ecuador
En el Ecuador, el maíz se cultiva en todo el país con siembras concentradas en las provincias de Los Ríos y en menor proporción para las regiones de Guayas, Loja, Azuay y Pichincha, Bolívar, Chimborazo, Tungurahua e Imbabura. (19
Un censo realizado reveló una superficie cosechada de 361 mil hectáreas (ha) y una productividad media de 3,68 toneladas métricas por hectárea (tm/ha), inferior a las obtenidas en las provincias de Los Ríos y Guayas. (Ver tabla 1).
Superficie sembrada de maíz y rendimiento por hectáreas en distintas zonas del Ecuador en una cosecha. <xref ref-type="bibr" rid="B19"><sup>19</sup></xref>
Estimación de los volúmenes de residuos generados durante la producción de maíz
Para estimar el volumen de estos residuos, fue necesario establecer relaciones másicas entre la cantidad de subproducto y el producto principal cosechado, denominado coeficiente de residuo, (Ec. 1.1). Estos coeficientes varían con las prácticas culturales y las peculiaridades climáticas de cada región. 20)
Fueron tomadas muestras de diferentes plantas de maíz en diferentes regiones: Cantón Ventanas, Provincia de Los Ríos (1100 muestras), Provincia de Guayas.
Caracterización de los residuos de tusa de maíz
Las muestras de tusas (Humedad 10 %) fueron analizadas en los Laboratorios del Centro de Excelencia y Generación Distribuida (NEST) de la Universidad Federal de Itajubá, Brasil en la tabla 2 se presentan los resultados y las Normas utilizadas. Los resultados obtenidos están en correspondencia con los reportados por otros autores. (21,22,24,25
Composición elemental e inmediata (%vol.) de la tusa base seca
Potencial energético de los residuos de tusa de maíz
Para la estimación del potencial energético se utilizó la siguiente expresión:
Donde:
PEt. Potencial energético de la tusa por hectárea, GJ/ha
CRt. Coeficiente de residuos de tusa, kgr/kgp
Rmha. Rendimiento de maíz por hectárea, tm/ha
PCIbt. Poder calorífico bajo de la tusa, MJ/kg.
El método empleado ha sido utilizado para estimar el potencial energético de otros tipos de residuos. 23
Gasificación de la tusa y uso del gas de síntesis en motores de combustión interna (MCI)
En la literatura científica se reportan algunos resultados del proceso de gasificación de la tusa donde se observa una producción de gas pobre entre 2.00-2,94Nm3/ kg y un PCI entre 4.30-6,31 MJ/Nm3, estando la eficiencia en frío del gasificador entre 62,8-68,0 %, mientras que la eficiencia de conversión de la energía química del gas en energía mecánica a través del MCI está entre 21,1-21,6%. (Ver tabla 3.)
Composición y poder calorífico del gas de la gasificación de la tusa con aire
Leyenda: PCI. Poder calorífico inferior del gas, Ggas. Producción específica de gas, ηcold. Eficiencia en frío del gasificador, ηg. Eficiencia Térmica. nd. No disponible.
Análisis comparativo de ciclo de vida del uso del gas de la tusa en la generación de electricidad
Análisis de ciclo de vida (ACV) sobre la gasificación de biomasa para generar electricidad se han desarrollado en otros países, 26,27,28,29 sin embargo no se presentan resultados referentes a la utilización de los residuos, específicamente los de la cosecha de maíz.
Debido a su naturaleza un ACV completo puede resultar extensísimo. Por esta razón se deberán establecer escenarios y límites o alcance del estudio. En nuestro caso, el alcance, es la evaluación de los potenciales impactos ambientales asociados a la producción de maíz sin (figura 1, Caso_Ref) y con aprovechamiento energético de la tusa (figura. 2, Caso_Gsf).
Límites del escenario de producción de maíz sin aprovechamiento energético de los residuos agrícolas<bold>.</bold>
Límites del escenario de producción de maíz por cosecha con aprovechamiento energético de los residuos agrícolas.
Fueron consideradas las etapas de cultivo, secado natural, procesamiento industrial (desgranado de maíz). En el primer escenario fue considerada la incineración de la tusa a cielo abierto y el proceso de desgranado del maíz en una desgranadora Motor Vanguardia de 18 hp - Modelo DGM-70 con un consumo de 1.40 L de gasolina/ton de maíz producido medido experimentalmente.
En el segundo escenario se incluye la etapa de gasificación de la tusa de maíz y generación eléctrica mediante un MCI y se considera la sustitución de gasolina en el motor de la desgranadora por una fracción de gas combustible y la fracción de gas residual seria destinada a la generación de energía eléctrica y comercializada en la red eléctrica nacional.
La metodología utilizada para la evaluación del desempeño ambiental (ACV) está soportada en la herramienta computacional SimaPro® v8 de PRé-Consultants, donde fueron determinadas las siguientes categorías de impacto: Calentamiento global y consumo de energía no renovable.
En la tabla 4 se presentan los indicadores y parámetros generales utilizados, la conformación de la matriz energética del Ecuador y las principales emisiones gaseosas producidas en el MCI.
Indicadores energéticos y emisiones para el análisis comparativo de ciclo de vida
)Corresponde a la energía eléctrica equivalente al consumo de gasolina, considerando un PCI 46.89 MJ/kg, densidad de 680 kg/m3e una eficiencia de conversión de 30%.
Durante el análisis fueron utilizados las normas de consumo de combustibles durante la cosecha de maíz en el Ecuador. 30,31,32
Resultados y discusiónCoeficientes de residuos de biomasa derivados de la cosecha de maíz
Los coeficientes de residuos de la producción de maíz se presentan en la tabla 5, en donde la relación promedio de tusa de maíz por unidad de producto principal (maíz seco) fue de 0.186 kg tusa/kg maíz.
Coeficientes de residuos de la cosecha de maíz en la provincia de Los Ríos y Guayas de Ecuador.
*)Corresponde a la relación de kg de residuos/ kg de producto (maíz).
1. Hojas de la planta, 2. Hojas de la mazorca.
A partir de éste coeficiente y del rendimiento medio de producción de maíz para las regiones de Los Ríos y Guayas (4.72 tm/ha por cosecha), se estima un volumen de tusas de 0.878 tm/ha por cosecha y teniendo en cuenta que la superficie cosechada de maíz es de 196473 ha, se estima una producción de tusas de 172502 toneladas en cada cosecha del año.
Potencial energético de los residuos de tusa de maíz
Considerando el volumen de tusas de maíz (0.878 tm/ha por cosecha), su potencial energético, determinado por (Ec. 1.2) sería de 15.72 GJ/ha por cosecha (4.37 MW-h/ha por cosecha) como energía primaria de carácter renovable.
Considerando una eficiencia de conversión de la energía química de la tusa en energía eléctrica de 0.13, (17) correspondería a una generación de 611.80 kW-h/ha por cosecha.
Para la utilización del gas de la tusa en un MCI se consideró una producción específica de gas de síntesis de 2.35 Nm3/kg tusa (Tabla 3) con una producción potencial de gas de 2063.3 Nm3/ha. Una fracción de este gas es destinado al motor de la desgranadora de maíz (3.72 kWh/t maíz).
Después de la sustitución de gasolina en el motor de la desgranadora de maíz, la disponibilidad de gas residual para el sistema de generación de energía eléctrica se reduce a 2.277 Nm3/kg tusa, equivalente a una densidad energética de 8998 MJ/ha (2500kWh/ha) y un 13% de este contenido energético disponible en los gases podría ser transformado en energía eléctrica, obteniéndose de esta manera 1980 MJ/ha (550 kWh/ha), con un índice de generación de energía eléctrica de 115.20 kWh/t maíz (619 kWh/t tusa kWh/t tusa). La figura 3 representa el diagrama de Sankey de la conversión de la energía de la tusa en energía eléctrica.
Diagrama de Sankey para el escenario de aprovechamiento energético de la tusa de maíz
Resultados del análisis comparativo de ciclo de vida
El ACV comparativo de la cadena productiva de maíz considerando los dos escenarios mostró una reducción del índice específico de emisión de gases de efecto invernadero equivalente de 913 kg CO2-eq / t maíz en el primer escenario a y 797 kg CO2-eq / t maíz en el segundo escenario (Ver figura 4).
Emisiones específicas de CO<sub>2</sub>-eq para los escenarios evaluados.
Una reducción de 1369 MJ/ t maíz en el consumo de energía no renovable fue observada en el segundo escenario con respecto al primero, como se evidencia en la figura 6.
energía no renovable para los escenarios evaluados<bold>.</bold>
La tabla 6 muestra el resumen de la huella de carbono específica para los dos escenarios.
Índices de emisión especifica de CO2-eq y consumo específico de energía primaria fósil
Conclusiones
Los estudios realizados muestran que en la provincia de Los Ríos y Guayas de Ecuador se generan aproximadamente 0.186 toneladas de tusa por cada tonelada de maíz producido, con productividad de 4.72 tm/ha por cosecha y un potencial energético de 15.72 GJ/ha por cosecha.
Utilizando la tusa en tecnologías de gasificación y generación de electricidad con MCI a gas, es posible, después de la sustitución de gasolina por gas de gasificación en el motor de la desgranadora de maíz, obtener un potencial energético de 1980 MJ/ha por cosecha y un índice de generación eléctrica equivalente de 115.20kWh/tonelada de maíz.
Por otra parte, la huella de carbono en términos de emisiones de gases de efecto invernadero para los escenarios evaluados en este trabajo con y sin aprovechamiento energético de los residuos de tusa de maíz fue de 913 kg CO2-eq/t maíz y 797 kg CO2-eq/t maíz, respectivamente, lo cual condujo a una reducción de emisiones de 12.7% motor de la desgranadora y producción de energía eléctrica excedente para comercialización en la red eléctrica nacional.
Agradecimientos
Agradecemos a la Universidad Católica de Guayaquil, Ecuador y las Agencias de Financiamientos CNPq, Capes, y Fapemig.
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