Artículos de investigación

 

Desarrollo de pellets a partir de tres especies leñosas bajo condiciones mediterráneas

 

Pellets development from three woody species under Mediterranean conditions

 

Harald Fernández-Puratich¹*, José Vicente Oliver-Villanueva², Mireya Valiente³, Salvador Verdú y Nuria Albert³

 

¹ Universidad de Talca. Facultad de Ingeniería. Centro de Sistemas de Ingeniería. Curicó, Chile. *Autor de correspondencia: hfernandezp@utalca.cl

² Universitat Politècnica de València. Grupo de Investigación en Ciencias y Tecnología Forestal. Valencia, España.

³ Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica de Ingeniería Agronómica y del Medio Natural. Valencia, España.

 

Manuscrito recibido el 17 de ocbtubre de 2013.
Aceptado el 28 de mayo de 2014.

 

RESUMEN

La biomasa leñosa como recurso energético varía según tres factores: 1) especie, 2) condiciones ambientales que influyen en su producción y 3) dispersión en el territorio. La estimación de la aptitud de este recurso es crucial para el desarrollo sustentable del sector agroforestal y, en concreto, de la cadena de valor bosque-industria-consumo. Tomando en cuenta esta situación, el objetivo de este documento consistió en determinar la aptitud de tres tipos arbóreos como biocombustible sólido. Una especie forestal (Quercus ilex), un cultivo energético (Paulownia spp.) y tres especies frutales Citrus sinensis (naranjo), Olea europaea Prunus amygdalus(almendro). Para alcanzar este objetivo, la investigación se centró en la caracterización física, química y energética de la biomasa leñosa de estas especies. Con base en un muestreo representativo, los resultados obtenidos sirvieron para determinar de forma cualitativa las aptitudes y limitaciones de estas especies como biocombustible sólido. Los principales resultados demuestran que la biomasa de cada especie estudiada es apta para su uso energético como biocombustible sólido, con la excepción de la madera de naranjo que presenta algunas limitaciones para la fabricación de pellets.

Palabras clave: biocombustible sólido, Citrus sinensis, Olea europea, Paulownia spp., Prunus amygdalus, Quecus ilex.

 

ABSTRACT

Woody biomass as an energy source varies according to species, environmental conditions that influence their production and dispersal in the territory. The estimation of the suitability of this resource is crucial for sustainable development of agro-forestry and, specifically, of the value chain forest-industry-consumer. Considering this situation, the aim of this paper was to determine the suitability of three types of trees as solid biofuel. A forest species (Quercus ilex L. subsp. ballota (Desf.) Samp); an energy crop (Paulownia spp.) and three fruit species Citrus sinensis (orange), Olea europaea (olive) and Prunus amygdalus (almond). In order to achieve this goal, the paper is focused on the

Key words: Solid biofuel, Citrus sinensis, Olea europea, Paulownia spp., Prunus amygdalus, Quecus ilex.

 

INTRODUCCIÓN

El presente escenario de costos derivados de la demanda del petróleo, junto con los problemas por la producción de CO₂ provenientes de los combustibles fósiles, han llevado a las autoridades a compromisos de potenciación de las energías renovables y de fomento a la biomasa forestal con fines energéticos (Tolosana, 2009).

Visto desde una perspectiva global, según el Programa Chile Sustentable (2002), el actual sistema de abastecimiento de energía repercute en el aumento de los precios de esta a nivel mundial y en el uso casi exclusivo de fuentes energéticas no renovables, siendo un modelo de solución un método de abastecimiento propio de gran autonomía, lo que se puede lograr con el uso complementario de recursos renovables.

En Chile, el recurso renovable de mayor consumo es la leña, que representa alrededor de 18% de la matriz energética del país. En promedio, en el sector residencial el consumo de leña es de 65% (Ministerio de Energía, 2011; FAO, 2012), porcentaje que va aumentando hacia el sur del país, reflejando la magnitud del uso de este biocombustible a nivel nacional. Sin embargo, la combustión residencial de leña en artefactos de baja eficiencia implica grandes consecuencias, entre ellas, el deterioro de la calidad del aire de varias ciudades del centro-sur y sur del país, principalmente en los meses de invierno. Sin embargo, es el combustible más económico con que cuenta la población para su calefacción.

Por esto último, el gobierno de Chile considera prioritario el desarrollo de una estrategia tendiente a la reducción de las emisiones ocasionadas por la combustión de leña, contemplándose incentivar el uso de tecnologías de combustión residencial alternativas a la leña. Dentro de estas tecnologías se encuentran los pellets, que son biocombustibles sólidos, homogéneos, de bajo contenido de humedad y con una alta densidad energética, tienen forma cilíndrica con diámetros normalmente comprendidos entre 7 mm y 22 mm y longitudes de 3,5 cm a 6,5 cm, cuya fabricación se realiza a alta presión, sin necesidad de utilizar algún tipo de adhesivo (Marcos y Núñez, 2006). Estos, generan bajas emisiones cuando se emplean en artefactos de alta eficiencia, reduciendo las emanaciones de CO₂ en 50% comparado con la combustión de leña o astillas, posee bajas concentraciones de azufre (entre 0,004% y 0,007% del peso seco final de cada pellet) y de nitrógeno (entre 0,05% y 0,16% del peso seco final de cada pellet) (Rojas, 2004). Son empleados principalmente en países con alta demanda de calefacción. En Chile, se están comenzando a consumir en calderas, pero aún existe una baja penetración en el mercado.

Al fabricar y comercializar este tipo de combustibles, se disminuye considerablemente la cantidad de residuos, se reduce el volumen transportado, así como también se logra una combustión más limpia y eficiente.

Si bien, el estudio es llevado a cabo en la región mediterránea de España los resultados obtenidos son completamente homologables a la región mediterránea chilena, debido a las similitudes climáticas (Boydak y Dog¨ru, 1997). La región mediterránea de España abarca gran parte de la costa del mismo nombre y algunas zonas del interior de España. Las lluvias son irregulares, entre 400 mm y 700 mm anuales, y se concentran especialmente en otoño y primavera. Los inviernos son cortos y suaves mientras que los veranos son largos y calurosos. La temperatura media anual ronda entre 15 °C y 18 °C (AEMET, 2014). El sector mediterráneo chileno, abarca la región geográfica Centro-Norte del país, entre los 32° y 38° de latitud Sur aproximadamente, siendo en general el promedio de precipitación de 500 mm a 700 mm al año y una temperatura promedio de 13 °C a 14 °C al año, lo que varía en la zona costera con respecto al interior (Arroyo et al., 1995, Santibáñez y Uribe, 1992). También existe similitud en la flora de estas regiones (Verdú et al., 2002; Domínguez-Lozano y Schwartz, 2005) que se presenta en la zona central del país. Además, cuentan con similares especies forestales y las mismas especies frutales tratadas en este estudio. El caso de Paulownia spp. (paulonia) es distinto ya que, si bien en España existen actualmente plantaciones productivas tanto para biocombustible como para su uso en la industria del tablero, en Chile no existen estudios acabados al respecto, por lo que se examinará con el objetivo de un futuro establecimiento masivo para fines energéticos.

De esta manera, este estudio apunta a determinar el potencial energético de las especies seleccionadas teniendo por fin el suministro sostenido de biomasa agroforestal bajo condiciones mediterráneas lo que se logrará a través de la caracterización de sus maderas desde el punto de vista físico, químico y energético determinando su aptitud para estos fines a través de normas de calidad existentes.

Cabe mencionar que las especies analizadas en este estudio cumplirían la función de complemento como materia prima con respecto a Pinus radiata que es la especie forestal de principal explotación en Chile, siendo su participación de 95% en la industria del aserrío (GTZ/INFOR, 2007), y por ende, es la especie de mayor generación de residuos leñosos.

 

OBJETIVOS

El objetivo general fue investigar el potencial energético de nuevas fuentes biomásicas de especies leñosas para el suministro sostenido de energía bajo condiciones mediterráneas, similares a las de la zona Central de Chile.

Para alcanzar el objetivo general, se incluyen los siguientes objetivos específicos:

• Seleccionar especies y diseñar el muestreo.

• Determinar las propiedades físicas de la biomasa leñosa obteniendo principalmente la información sobre la densidad (básica) y contenido de humedad.

• Caracterizar químicamente la biomasa leñosa por medio de un análisis elemental y análisis secundario en todas las especies estudiadas.

• Determinar las propiedades energéticas de la madera por especie, determinando el poder calorífico y porcentaje de cenizas.

• Comparar los resultados obtenidos para todas las especies con las normas existentes.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

El área de estudio abarca el litoral e interior de la Comunidad Valenciana (España) localizada entre los 40º 47› y 37º 51› de latitud Norte. Fue elegida como se señaló anteriormente por su similitud climatológica y de flora con la zona central de Chile, ambas de clima mediterráneo.

Selección de especies

Se clasificaron las especies estudiadas en tres tipos arbóreos:

Especie forestal: la encina (Quercus ilex spp. ballota) que es la latifoliada más representativas de España. Según PGOF (2004) más de 70% de sus bosques puros se encuentran de 1000 m a 1200 m snm. Una parte importante es regeneración natural resultante de devastadores incendios hace aproximadamente 30 años.

Cultivo energético leñoso: la paulonia (Paulownia spp.), escogida por su rápido crecimiento, sus favorables características energéticas para la producción de pellets (Falasca y Bernabe, 2010), además de la existencia de viveros, parcelas conocidas de ensayo y producción dentro de España. Si bien es cierto que Paulonia es una especie ya probada en algunos países, en Chile no existen plantaciones productivas y los artículos científicos publicados sobre esta especie y en esta materia son escasos hasta el momento.

Especies agrícolas leñosas: que presentan la mayor superficie ocupada de la región (Censo Agrario, 1999) y tienen características arbóreas definidas (fuste y copa): Citrus sinensis (naranjo), Olea europaea (olivo) y Prunus amygdalus (almendro), siendo estas especies también cultivadas en Chile.

Diseño muestral de áreas y toma de muestras

El muestreo de las especies se realizó en distintas comarcas de la región y a distintas altitudes. La encina fue muestreada a 1000 m snm, la paulonia a 20 m y 700 m snm, el naranjo a 70 m y 110 m snm, el olivo y el almendro a 620 m snm, siendo la recolección de muestras para encina en zonas boscosas, para paulonia en plantaciones comerciales y para los árboles frutales en terrenos de carácter ­agrícola.

Selección de parcelas

Se seleccionaron 20 parcelas representativas por especie, de un tamaño mínimo de 0,25 hectáreas. Los criterios de selectividad, para efectos prácticos de medición y homogenización de los datos obtenidos, han sido: una misma zona geográfica; representatividad, disponibilidad y accesibilidad; coetaneidad, requerimientos hídricos, edafológicos, climatología y de altitud similares (Fernández-Puratich, 2013). Luego de estas 20 parcelas se seleccionaron cuatro a seis de forma aleatoria para ser evaluadas.

Selección de individuos

Dentro de cada parcela, utilizando el método de Hapla y Saborowski (1984), que establece como cifra aceptable 15 árboles por parcela, se recolectó el material teniendo una muestra total mínima de 75 árboles por especie, coetáneos, de un mismo origen y en iguales condiciones de sitio. Ese número es una cantidad representativa, de acuerdo con lo indicado por este método, para las estimaciones y análisis de este estudio. Una vez seleccionados los 15 árboles por muestreo aleatorio simple se tomaron muestras de fuste y ramas según correspondía.

Recolección de muestras

Se obtuvieron muestras de fuste del cultivo energético y de la especie forestal cortando cinco árboles representativos de cada parcela, y de cada uno se obtuvieron seis discos hasta los 5,5 m de altura. Luego, las muestras se llevaron a laboratorio para su caracterización (análisis físicos, químicos y energéticos) según las normas técnicas establecidas.

De las especies frutales se tomaron muestras en las ramas, las ramas de primer orden se consideraron parte del fuste, ya que poseen características visuales similares, por lo que se catalogaron como no representativas y no corresponden al tipo de ramas de podas (ramas de segundo y/o tercer orden). La toma de muestras se subdividió en dos clases:

• Diámetro < 7,0 cm: Se seleccionaron tres ramas representativas por árbol, tomando como muestra la sección inferior y superior de cada rama.

• Diámetro ≥ 7,0 cm: Se seleccionó una rama por árbol por ser ramas productivas, tomando una muestra de la sección inferior de la rama. Este tipo de muestreo no se realizó en los árboles de almendros, ya que por su estructura de pocas ramas, cortar una de esta envergadura supone una pérdida de producción de frutos importante en el árbol.

Caracterización física de la madera

Determinación de densidad

Se determinó la densidad básica según Kollmann (1959). La determinación de la densidad fue realizada por el teorema de Arquímedes, siguiendo lo descrito por Olesen (1971), ya que se considera uno de los métodos más prácticos y exactos, así como el más utilizado para calcular la densidad de material leñoso de formas irregulares:

Donde:

P_c : densidad del cuerpo (g/cm³)

P_a : densidad del agua (g/cm³)

m_c : masa del cuerpo (g)

m^*_c: masa relativa al valor de empuje del cuerpo en el agua (g)

Determinación de la humedad en estufa

En ramas de diámetro ≥ 7,0 cm no es posible seguir la especificación técnica EN 14774, en cuanto a la disposición en recipiente, debido a las mayores dimensiones e irregularidad de sus formas, por lo que en este aspecto se adaptó la metodología.

Así, las muestras fueron pesadas sobre una balanza de 0,1 mg de resolución, sin recipientes. Al ingresarlas a la mufla, solo se utilizó de base una placa de aluminio para evitar el contacto directo de las muestras con la mufla como precaución ante la posibilidad de desprendimiento de corteza. El contenido de humedad de la madera durante el secado se obtuvo utilizando la siguiente ecuación (Kollmann, 1959):

Donde:

CH : contenido de humedad (%)

P_h : peso húmedo (g)

P_s : peso secado en estufa (g)

Preparación de las muestras

Las muestras eran recién cortadas, y fueron llevadas directamente a laboratorio para su análisis, por lo que no habían logrado su secado natural. Hubo que secarlas, teniendo en cuenta que cuando la madera tiene agua, su poder calorífico se reduce, primero por el propio contenido de agua y segundo porque parte de la energía calorífica de la madera se invierte en evaporar agua (Vignote y Martínez, 2006).

Para poder efectuar las pruebas siguientes fue necesario transformar las muestras en aserrín o fragmentos < 5 mm. En el caso de las muestras de diámetros < 7,0 cm se utilizó un triturador portátil marca Garland modelo BGS 2400, luego de ser triturado el material fue fragmentado en partes más pequeñas en un molino marca IKA-WERKE modelo M20 obteniendo el aserrín. En ramas con diámetros ≥ 7,0 cm, una vez obtenidas las astillas (5 cm de longitud como máximo), se dejaron secar 2 días, para introducirlas en un martillo de trituración marca Oliotechnology modelo ETCR110 Trituradoras/afinadora 11 kW obteniéndose el aserrín (0,5 mm - 5 mm).

Caracterización química de la madera

Se realizó el análisis químico elemental y se identificaron algunos otros microcomponentes inorgánicos presentes en un análisis secundario. El análisis químico elemental se realizó en el laboratorio del Departamento de Química del ETSIAMN de la Universidad Politécnica de Valencia y el análisis químico secundario en el Instituto Agrario de la Generalitat Valenciana.

Análisis elemental

El material de análisis se dividió en restos de corta (árboles frutales) y árboles enteros (cultivo energético y especie forestal), según norma EN 14918.

Los elementos H, O, N, son utilizados principalmente para el cálculo del poder calorífico inferior (PCI). Aun cuando el C y el S no son requeridos en esta fórmula, se determinaron debido a las combinaciones que se pueden dar en diversas formas, principalmente con H, O y otras sustancias que pueden participar o no en la combustión (IDAE, 2007).

Análisis secundario

Era importante determinar el contenido de metales pesados que se encontraban incorporados en la madera, sobre todo en biomasa agrícola, a través de suelos agrícolas contaminados. Por esto, se determinaron los siguientes elementos químicos que son monitoreados en la producción de pellets para uso doméstico (EN 14961-2):

• Determinación de elementos metálicos y azufre, utilizando en este estudio el método ICP (Inductively Coupled Plasma)

• Determinación de arsénico por fluorescencia

• Determinación de mercurio por espectroscopía de absorción atómica mediante analizador automático

Una vez obtenidos los resultados, se establecieron los niveles de concentración de estos elementos químicos, determinando si sus valores se encontraban dentro de los límites establecidos por las normas ya señaladas.

Caracterización energética de las astillas

Se evaluó la capacidad de las astillas como biocombustible sólido (pellets), esto se llevó a cabo en los laboratorios del Instituto de Ingeniería Energética (IIE) de la Universidad Politécnica de Valencia.

Se pretendía conocer el PCI y el porcentaje de cenizas. En la actualidad, las normas referentes a biocombustibles sólidos son desarrolladas por el AEN/CTN 164 (Jiménez y Sánchez, 2007), las usadas en este estudio fueron:

• EN 14918 EX Biocombustibles sólidos. Determinación del poder calorífico.

• EN 14961 EX Biocombustibles sólidos. Especificaciones y clases de combustibles.

• EN 15234 EX Biocombustibles sólidos. Aseguramiento de la calidad del combustible.

• EN 14775 EX Biocombustibles Sólidos. Determinación del contenido de ceniza.

Poder calorífico

Con base en lo que dicta la norma EN 14918, se realizaron 33 pruebas en total a 0% de humedad.

El poder calorífico inferior (PCI) se puede calcular en base seca y libre de cenizas según la siguiente ecuación (norma UNE-CEN/TS 15234 EX):

Donde:

q_p,net,d : poder calorífico inferior de la materia seca a presión constante (MJ/kg);

q_V,gr,d : poder calorífico superior de materia seca (MJ/kg)

w(H)_d: contenido en hidrógeno, en porcentaje de masa, del biocombustible (seco) libre de humedad (incluyendo el hidrógeno del agua de hidratación de la materia mineral así como el hidrógeno en la sustancia del biocombustible)

w(O)_d : contenido en oxígeno, en porcentaje de masa, del biocombustible libre de humedad

w(N)_d : contenido en nitrógeno, en porcentaje en masa, del biocombustible libre de humedad

Cenizas

El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia sólida no combustible por kilogramo de material. En los procesos térmicos de aprovechamiento de la biomasa que incluyen la combustión, es importante conocer el porcentaje contenido de ceniza en la biomasa, ya que en algunos procesos puede causar un deterioro de los equipos por formación de escorias.

El material (aserrín) fue clasificado de la misma forma que se hizo para el PC.

Se utilizó la norma UNE 14775 EX: 01. Método para la determinación del contenido de cenizas. Biocombustibles sólidos. Se pesó una pequeña cantidad de la muestra en una balanza de precisión Mettler Toledo (modelo AB 304-S/Fact, de 0,0001 g de resolución). Se desecó y posteriormente se incineró a 550 ºC ± 10 ºC en una mufla marca Selecta modelo Select-Horn (con alcance de 1100 °C).

Tras determinar un periodo de tiempo, la muestra se acondicionó a temperatura ambiente y se volvió a pesar. El proceso se repitió hasta alcanzar peso constante.

Se calculó el contenido de cenizas como la cantidad de cenizas referidas a la muestra inicial desecada, por diferencia de peso y expresado en porcentaje.

Análisis de la astilla

Para determinar el potencial de cada especie para la fabricación de biocombustibles sólidos se analizaron los parámetros técnicos mínimos para este material: se tabularon para compararlos con lo que establece la normativa vigente y con base en el Manual para la certificación de pellets de madera para usos térmicos del Consejo Europeo del Pellet (2011), que tiene como referencia la norma EN 14961-2.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización física

Los resultados de la caracterización física muestran la estadística descriptiva de ramas con diámetro < 7,0 cm y ≥ 7,0 cm con respecto a la densidad básica.

Para el material de encina se obtuvo una densidad básica promedio de 0,732 g/cm³, con variación prácticamente nula entre individuos (CV = 3,2%). Sin embargo, CPF (2004) y CREAF-DMAH (2011) obtuvieron valores promedio de densidad básica de esta especie de 0,870 g/cm³, valor más alto que el obtenido en este estudio. Estas diferencias de densidad en una misma especie, según Gutiérrez et al. (2010) y Zobel y Talbert (1988) se deben principalmente a la influencia de las diferentes condiciones de sitio donde pudiese establecerse la especie, y en menor grado al control genético.

El valor de densidad básica del material del fuste de paulonia fue de 0,297 g/cm³, similar al obtenido por Hakan-Akyildiz y Sahin-Kol (2009) y por Sobhani et al. (2011) (0,272 g/cm³ y 0,260 g/cm³, respectivamente. La ligereza demostrada por la madera de paulonia se considera una ventaja importante, ya que en España, esta es la especie que posee la menor densidad con respecto a otros cultivos productores de madera, siendo Populus spp. la que le sigue en ligereza con valores de densidad entre 0,330 g/cm³ y 0,370 g/cm³ dependiendo de la localidad de procedencia (Jovanovski et al., 2011; Díaz et al., 2002).

En la tabla 1 se observa que, en promedio, en ramas de frutales las densidades básicas son uniformes, obteniéndose para naranjos 0,616 g/cm³, para olivos 0,654 g/cm³ y para almendros 0,668 g/cm³. Es importante resaltar que no existen estudios previos sobre la obtención de valores medios de densidad básica de estas especies, por lo que estos valores son pioneros.

Fernández (2009) estudió las mismas especies frutales evaluadas en este trabajo y provenientes de condiciones climáticas similares. Sin embargo, sus resultados de densidad de madera de naranjos y de almendros fueron mucho más altos (1,002 g/cm³ y 0,981 g/cm³ respectivamente), aunque no especifica qué tipo de densidad se trata. En contraste, Passialis y Grigoriou (1999), si bien no evaluaron las mismas especies, obtuvieron datos de densidad básica para otras especies frutales como melocotón, manzano, cerezo, pero y damasco entre 0,65 g/cm³ a 0,75 g/cm³ que son valores más cercanos a los de este estudio.

Características químicas

Los resultados obtenidos en la composición química elemental de la madera de los tres tipos de árboles fueron comparados con los de literatura encontrada para las mismas especies. Sin embargo, en cuanto a la composición química secundaria no se encontraron estudios con los que comparar. Krook et al. (2004) han determinado valores para el fuste de las especies forestales más importantes del sector forestal europeo (Pinus spp. y Picea spp.). En este ítem se hizo una comparación de la concentración de los metales pesados para las especies en estudio versus lo publicado por esos autores, ya que resulta interesante conocer las diferencias y similitudes de los elementos químicos de las especies ensayadas, que no son tradicionalmente utilizadas en el sector forestal, con respecto a las especies que sí forman parte activa en este sector, proponiendo opciones para complementar a las especies forestales utilizadas tradicionalmente.

Análisis elemental

Los valores promedio que se incluyen en la tabla 2 para H y O son los que establece la norma EN 14918 para material obtenido de los fustes de árboles enteros y se utilizó únicamente para el cálculo del PCI, ya que no están incluidos en las especificaciones técnicas para producción de pellets.

Para la encina, según Ponce y Cárdenas (2004), el porcentaje medio de C está entre 48% y 52% y de N entre 0,07% y 0,38%, siendo el primer valor mayor al obtenido en este estudio de C que es 39%. Sin embargo, los valores que presenta para N son similares al obtenido en esta investigación. Alves et al. (2009), para la madera de encina, obtienen 0,18% en N que es un valor muy cercano al encontrado en el fuste de esta especie. Sin embargo, Viejo-Montesinos et al. (1996) obtuvieron un valor medio de 0,63%. Esto indica que para este elemento se encuentran muchas variaciones.

Los valores de C, N y S obtenidos para paulonia se muestran en la tabla 2 y son similares a los obtenidos por Kasamaki (2007) quien obtuvo 49,5% para C; 0,24% para N y 0,02% para S, coincidiendo con los valores obtenidos por Esteban-Pascual et al., (2007).

En ramas de frutales, al comparar los valores de la tabla 2 con la literatura, los resultados obtenidos son dispares. Sánchez et al. (2002), obtuvieron 45,5% para C, en cambio para N son bastante similares (0,03%) al igual que en olivos y el S no lo detecta en la madera. Por ende, en general, la composición elemental de los frutales no difiere demasiado entre sí.

Análisis secundario

Según la tabla 3, casi todos los compuestos químicos analizados tuvieron presencia en la encina, a excepción de As y Pb, cuya presencia fue muy baja o inexistente, lo que los hizo imposibles de detectar.

Krook et al. (2004) han determinado valores del fuste para Pinus spp. y Picea spp. como las especies forestales de referencia para uso bioenergético en Europa. Según la tabla 3, presentan valores más bajos con respecto al fuste de encina en todos sus elementos excepto en As y Pb, por los motivos señalados anteriormente.

Como se puede observar en la tabla 3, al igual que en la encina, casi todos los compuestos químicos tuvieron presencia en paulonia, a excepción de Pb que fue inexistente o de muy baja presencia e imposible de detectar.

En general, el fuste de paulonia presentó valores más altos a los obtenidos por Krook et al. (2004), en todos sus elementos, excepto en As que son valores prácticamente iguales y en Pb que no estuvo presente en paulonia o su concentración fue menor a la señalada en la tabla, por lo que no fue detectado.

Según la tabla 3, casi todos los compuestos químicos analizados tuvieron presencia en las especies frutales estudiadas, a excepción de Pb que fue inexistente o imposible de detectar, lo mismo ocurrió con el As en almendro. Los resultados indican que, en general, estos frutales presentan valores más altos con respecto a los obtenidos por Krook et al. (2004) para Pinus spp. y Picea spp. en todos sus elementos con las excepciones de As en almendros y Pb para todos los frutales, es decir que no están presentes o su concentración fue menor a la señalada en la tabla sin ser detectado. También la excepción se encuentra en Zn en naranjos donde se obtuvo un valor menor (6,0 mg/kg) que el autor de referencia (9,6 mg/kg).

Caracterización energética de la biomasa

Para la caracterización energética de la biomasa se determinó el PC (superior e inferior) expresado en MJ/kg y del porcentaje de cenizas en ramas agrupadas de acuerdo con sus diámetros (< 7,0 cm y ≥ 7,0 cm).

Especie forestal mediterránea

Se determinó el PC en fuste, ramas con follaje y árbol completo de encina calculándose el PCI de los diferentes materiales como materia seca a 0% de humedad.

Se incluyeron en el análisis las ramas con follaje, ya que la defoliación es técnicamente complicada de realizar, por ende, sería muy costosa.

En la tabla 4 se aprecia que el material de fuste de Quercus ilex presentó el mayor PCI con 17,0 MJ/kg, seguido por biomasa del árbol completo con 16,41 MJ/kg y finalmente la biomasa de ramas con hojas con 16,22 MJ/kg.

Se realizó la prueba de t para comparar las medias entre fuste y ramas con hojas resultando una diferencia estadísticamente significativa entre sus medias con un nivel de confianza de 95,0%. Sin embargo, al realizar la prueba de t para comparar las medias obtenidas de biomasa de ramas con hojas y de árbol completo, no hubo diferencia estadísticamente significativa entre sus medias con el mismo nivel de confianza de 95,0%.

De lo anterior se concluye que el material leñoso del fuste tiene mayor PCI que el que presentaron los materiales provenientes de otras muestras (ramas con hojas y árbol completo), ya que según Rodríguez-Rivas (2009) un PC mayor se obtiene de material de especies que presentan mayor lignificación, que son más densas y que tienen mayor contenido de resinas, terpenos y aceites esenciales, explicándose así el por qué de la tendencia a la disminución del PCI cuando se incorporaron muestras con hojas.

Con respecto al porcentaje de cenizas, la tendencia indicó que la biomasa de fuste presentó el menor porcentaje de cenizas (1,8%) con respecto al de ramas con hojas que presentaron prácticamente el doble de cenizas (3,2%). De esto se concluye que el material más lignificado (fuste) presenta un porcentaje de cenizas más acorde con lo requerido por la norma EN 14775 (≤ 1,5%).

De los resultados obtenidos se puede concluir que la incorporación del follaje a la materia prima para la producción de energía tendería a producir una disminución de su calidad para estos fines, con los perjuicios para las calderas ya explicados anteriormente. Este es un factor a tener en cuenta, ya que la encina es una especie perenne, por lo que si se quiere obtener una mayor calidad en el producto final con fines energéticos posteriormente al raleo se aconsejaría realizar una actividad de desrame, que sea previa al astillado o a cargar las trozas al camión para su transporte. Estos resultados no se pudieron contrastar con otros estudios de la misma especie o variedad de Quercus ilex, ya que la información específica al respecto es escasa. Sin embargo, resultados de material de otras especies de la familia de los Quercus, Bárcenas-Pazos et al. (2008) indican que en Quercus sebifera y Q. tinkhami, el porcentaje de cenizas promedio va de 2,7% a 3,2%, Bodirlau et al. (2007) obtuvieron en Q. robur entre 0,1% y 1,3% de cenizas. Para Fengel y Wegener (1984), en términos generales, las maderas de clima templado y frío están constituidas por 0,2% a 0,5% de cenizas.

Si bien estos resultados son diferentes con respecto a los obtenidos en este estudio, cabe destacar que, al menos, las condiciones de sitio y variedad de la especie son distintas a los bosques de encina muestreados. Así, por ejemplo, la variación del contenido de cenizas puede deberse a una adaptación fisiológica a condiciones de potencial hídrico de un suelo más o menos restrictivas (Bárcenas-Pazos et al., 2008)

Cultivo energético leñoso

En paulonia la caracterización energética se determinó en el fuste y en ramas sin hojas. Se determinó el PCI del material en materia seca a 0% de humedad.

Los valores de la tabla 5 presentan los resultados obtenidos con material separado en fuste y ramas con un PCI de 16,1 MJ/kg para el fuste y el 16,7 MJ/kg en las ramas sin hojas.

Se realizó la prueba de t para comparar las medias de estos resultados entre fustes y ramas de esta especie, no se encontraron diferencias estadísticamente significativas entre sus medias con un nivel de confianza de 95%. Por lo anterior, es posible establecer un valor promedio para ambos tipos de muestra de 16,38 MJ/kg, siendo este valor aceptable según la norma (EN 14918).

Los valores obtenidos en este estudio son menores que los presentados por otros autores como Muñoz (2011) quién determinó 18,00 MJ/kg de PCI para paulonia, mientras que Lucas et al. (2010) obtuvieron 19,50 MJ/kg. Esta diferencia según Ince (1977) se puede deber a que la biomasa presenta un contenido de humedad más alto mientras esté más fresca, lo que contribuye a que el PC sea más bajo. Sin embargo, el material usado en laboratorio fue ensayado en base seca a 0% de humedad, por lo que las diferencias de PCI con respecto a los presentados por otros autores pueden ser atribuibles a otras causas, como a que las especies en forma individual presentan diferencias en la finalización de su actividad vegetativa y evolución según la estación del año (fenología) (Rodríguez-Rivas, 2009).

De los valores de cenizas de paulonia, presentados en la tabla 5 se observa que los resultados tienden a ser prácticamente iguales en los dos tipos de materiales (fuste y ramas), 1,1% para la fracción fuste y 1,3% en las ramas sin hojas.

Latorre y Ruano (2009) mencionan que para la mayoría de los cultivos energéticos se obtiene un porcentaje de cenizas que oscila entre 3% y 5%. Sin embargo, la norma EN 14775 señala que el contenido de cenizas no debe ser mayor a 1,5%, dato que paulonia cumplió satisfactoriamente (Tabla 5).

Los resultados obtenidos por otros autores como Kasamaki (2007) oscilaron entre 1,1% y 1,5%; para Latorre y Ruano (2009) estuvieron en torno a 2,0%; Muñoz (2011) obtuvo un porcentaje de cenizas de 1,7% y Yorgun et al. (2009) 1,1%, lo que corrobora los resultados obtenidos en este estudio.

El análisis de contenido de cenizas (%) permite determinar la cantidad de residuos acumulados en calderas tras la combustión de la biomasa (Latorre y Ruano, 2009) y, en vista de los resultados obtenidos (1,2%), el rendimiento de la caldera no se verá afectado (IDAE 2009).

Especies agrícolas leñosas

La caracterización energética se determinó en ramas de diámetro < 7,0 cm y ≥ 7,0 cm.

Según la tabla 6, se puede inferir que las muestras de biomasa de olivos y almendros poseen un PCI aceptable (norma EN 14961-2) con valores que, si bien son menores a los requeridos para la obtención de pellets de calidad (16,5 MJ/kg) son similares. Sin embargo, el valor obtenido con la biomasa de naranjos es menor que el mínimo establecido en la norma, ya que el valor más alto obtenido fue de 15,4 MJ/kg.

Se realizó la prueba de t para comparar las medias de las muestras entre ramas de diámetros < 7,0 cm y ≥ 7,0 cm de naranjos y olivos y no hubo diferencia estadísticamente significativa, para un nivel de confianza de 95,0%.

Los valores obtenidos están dentro del amplio intervalo establecido por IDAE (2005 y 2009), que para biomasa de olivo está entre 12,1 MJ/kg y 19,5 MJ/kg y en almendros entre 11,6 MJ/kg y 18,9 MJ/kg. Así mismo, existen varios autores que han determinado el PCS del material de estas especies, encontrando valores superiores a los obtenidos en este estudio. Por ejemplo, Fernández (2009) determinó para cítricos sin hojas (mandarinos y naranjos) un PCS de 17,4 MJ/kg; para olivos, Sánchez et al. (2002) obtuvieron 17,9 MJ/kg; para almendros González (2008) obtuvo 18,2 MJ/kg e IDAE (2005) 11,9 MJ/kg.

En cuanto al porcentaje de cenizas en frutales los valores que se presentan en la tabla 6, corresponden al material de mezcla de ramas de diámetros < 7,0 cm e indican que el proveniente de los naranjos presentó mayor porcentaje de cenizas (2,8%), con respecto al que se determinó para la biomasa de olivos y almendros (2,4% y 1,0% respectivamente), siendo estos últimos los que menor cantidad de cenizas produjeron como residuo.

Otros autores han analizado cenizas de los residuos de podas de estas especies, pero no especifican los diámetros promedio que tenían las ramas de residuos, por lo que con fines de comparación con los resultados de este estudio se consideraron como resultados generales. Siendo así, Fernández (2009) obtuvo 5,2% de cenizas para residuos de naranjos y 0,8% para almendros, mientras que Sánchez et al. (2002) obtuvieron 1,5% para olivos. Estas cifras, con la excepción de lo obtenido para almendros, varían notablemente con respecto a las obtenidas para el material incluido en este estudio, debido a que el porcentaje de cenizas de la madera varía considerablemente con el clima, época del año, tipo de suelo, tipo de madera y especie, parte del árbol, y de la presencia de otros contaminantes adicionales como tierra y arena (Bárcenas-Pazos et al., 2008). Como recomendación para el control en el aumento del porcentaje de cenizas, se aconseja que en la fase de la entrega de la materia prima en planta, los camiones de suministro de biomasa cumplan ciertos requisitos mínimos que aseguren una adecuada humedad durante la entrega, así como que incluyan equipamientos que permitan el pesado del combustible suministrado (IDAE, 2009).

Análisis del material como biocombustible sólido

A continuación, la tabla resumen determina el cumplimiento de los requisitos en la producción de pellets con base en los resultados obtenidos previamente de los distintos análisis realizados durante el desarrollo de esta investigación, siendo los resultados comparados con un estándar de valores dado por la norma para una calidad de pellets A2.

Cabe mencionar que la densidad medida corresponde a la astilla leñosa de las especies, sin embargo, por metodología, la confección de pellets densifica por presión el material, por lo tanto, si ya la madera cumple con una densidad igual o mayor a 600 kg m-³, con la sola excepción de paulonia, es claro que el pelletizado de las astillas de la madera aumentará la densidad del pellet.

Por lo que se presenta en la tabla 7 es posible concluir que, con excepción de la biomasa de naranjos, la de las otras especies analizadas cumple con la normativa para ser usadas como materia prima alternativa o de complemento a las ya probadas para la fabricación de pellets. Si bien la biomasa de olivos (2,4%) y encinas (1,8%) no cumplen con los límites establecidos en la norma (porcentaje de cenizas < 1,5) , la diferencia es mínima, al ser material complementario a las materias primas destinadas a estos usos, el porcentaje final de cenizas del pellet, en promedio, será menor que los obtenidos con la biomasa de estas dos especies.

 

CONCLUSIONES

La determinación de las propiedades físicas, químicas y energéticas señalan que las especies estudiadas cumplen, en general, con la normativa para la producción de pellets a partir de ellas. La excepción la podría constituir el naranjo que se muestra como la especie menos apta para la confección de pellets, aunque esta no debe ser descartada, ya que su inclusión o no dentro de la producción de pellets estará supeditada a su porcentaje de participación.

Se muestra que todas las especies estudiadas, en términos generales, tienen el potencial energético como suministro complementario sostenido de biomasa agroforestal para la producción de biocombustibles sólidos (pellets). Cabe recordar que las especies analizadas en este estudio solo cumplirían la función de complemento como materia prima con respecto a Pinus radiata que es la especie forestal de principal explotación en Chile y la de mayor generación de residuos leñosos, lo cual debe ser aprovechado para la producción de pellets de forma masiva.

 

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Nota

Este documento se debe citar como: Fernández-Puratich, H., J.V. Oliver-Villanueva, M. Valiente, S. Verdú, y N. Albert. 2014. Desarrollo de pellets a partir de tres especies leñosas bajo condiciones mediterráneas. Madera y Bosques 20(3):97-111.