Introducción

En México, el café es uno de los cultivos de mayor extensión e importancia económica, ya que se mantiene entre los cinco productos de exportación más importantes. Las zonas de producción se concentran en 12 estados, principalmente en pequeñas unidades de producción de las áreas montañosas, siendo los estados de Oaxaca, Chiapas, Veracruz y Puebla, los que aportan más de 80% de la producción nacional.

Al proceso industrial para la transformación del café cereza a pergamino, se le denomina beneficio y comprende las etapas de: clasificación, lavado, despulpado, remoción de mucílago y secado. De estás etapas, el secado es fundamental, ya que tiene como finalidad disminuir el contenido de humedad del café lavado (48 a 56% en base húmeda) a un rango que oscile entre 10% y 12% de humedad.

El proceso tradicional de secado del grano de café en las regiones cafetaleras del país, es al aire libre sobre planillas de concreto (asoliaderos), donde se exponen los granos húmedos directamente a los rayos del sol, durante nueve a doce días aproximadamente, remvolviendo el grano periódicamente hasta alcanzar un contenido de humedad de 12% en promedio. El sistema de secado es simple, pero existen limitantes que reducen la calidad del mismo; como lo son las lluvias repentinas, el polvo, la basura y los animales; también se debe guardar o cubrir el café por las noches para evitar que vuelva a absorber la humedad ambiental y la imposibilidad de secar alto volumen de café.

Una de las alternativas de solución, es realizar el proceso de secado del grano de café en el interior de un secador solar, con lo cual; se obtendrá mayor oportunidad de comercializar el café con menor cantidad de defectos (mancha), con mayor inocuidad y una mejor calidad sensorial, acercándose al concepto de café orgánico, donde se cumplen requisitos específicos en la etapa de secado tales como: el aprovechamiento máximo de la energía del sol, evitar el contacto del grano con el suelo (^{CERTIMEX, 2009}). Además, solo se permite el plástico elaborados de polietileno o polipropileno con fines de protección siempre y cuando el café no entre en contacto directo con el plástico (^{Paswan y Mohit, 2010}). Además, el uso de secadores solares para el secado de café pergamino responde a una tendencia en el desarrollo de tecnologías sustentables, que permitan proteger al grano de las condiciones climatológicas adversas y obtener un grano seco de calidad.

El funcionamiento de los secadores solares está basado en el principio invernadero, donde la energía solar es atrapada mediante colectores que elevan la temperatura del fluido (aire), el cual realiza el proceso de secado, por lo que, la eficiencia de un sistema de secado habitualmente se expresa a través de diferentes parámetros tales como: eficiencia del secador, eficiencia del captador solar, tasa de extracción de humedad específica, capacidad evaporativa, entre otros.

La evaluación del desempeño térmico en aplicaciones de secado solar se considera un medio para evaluar como opera un secador solar bajo ciertas condiciones y se define como la relación entre la cantidad de energía destinada al secado y la cantidad de agua evaporada durante el proceso. Por lo tanto, la eficiencia térmica total es la relación de la ganancia de calor útil a la energía solar disponible en el interior del secador solar (^{Almuhanna, 2012}). Así, la eficiencia de un secador solar es una medida de la eficacia con que se utiliza la radiación solar por el sistema para secar el producto y evalua su rendimiento (^{Keke et al., 2014} y ^{Mustapha et al., 2014}). Esto es, la energía necesaria para evaporar el agua del grano (kJ h^-1) dividido por la entrada de energía al secador y se expresa en porcentaje (^{Parra-Coronado et al., 2008}; ^{Chavan et al., 2011}). Valores habituales de este parámetro se encuentran en el rango 10 - 50%, dependiendo del modo de funcionamiento y del tipo de secador (^{Tiwaria et al., 2013}, ^{Zakaria, 2013}).

En relación a la evaluación de la rentabilidad de un secador solar respecto de un secador que utilice energía fósil, se requiere que las comparaciones se realicen bajo condiciones de uso comercial. Tal comparación proporciona el costo de secado unitario y por supuesto, la diferencia de costos de cada método. Así, la inversión inicial en un secador solar es menor o a lo sumo, igual a un secador convencional del mismo volumen, por lo que la diferenciación está en los costos de la energía para realizar el proceso de secado, con tiempos menores de amortización (^{Sreekumar, 2013}). De acuerdo con ^{Ferro et al. (2000)}, para los cálculos económicos de comparación entre secadores solares se pueden utilizar los siguientes elementos de costo.

Costos directos. Materias primas, mano de obra de operación y supervisión y mano de obra de oficina.

Costos de los servicios. Electricidad, mantenimiento y reparaciones (2-10% del capital fijo), suministros de operación (10-20% de la mano de obra de operación) y cargos de laboratorio.

Costos indirectos. Generales (nómina y planta), empacado, almacenamiento, impuestos locales (1-2% del capital), seguros (0.4-1% del capital).

Por otro lado, ^{Boonyasri et al. (2011)} recomiendan como base de los cálculos del costo total a la suma del costo del secador, los costos de mantenimiento, el trabajo, el costo del producto a secar y la depreciación. Otra forma de obtener la factibilidad económica de un secador solar, es mediante el calculo del ahorro obtenido al utilizar una instalación solar frente a una alternativa de secado convencional. Pero si requiere evaluar la factibilidad de un secador solar como única opción de secado, se sugiere utilizar el valor presente o flujo del efectivo descontado, que determina si el valor presente de los flujos esperados justifica la inversión inicial.

El atractivo económico de una inversión potencial en energía solar para procesos industriales, se puede determinar mediante la comparación del precio de la energía solar con el precio del combustible fósil utilizado, ambos expresados en términos unitarios o energía equivalente. Esto requiere del cálculo de la tasa interna de retorno de la inversión solar o, en algunos casos, la tasa de crecimiento de retorno.

Por lo anterior el objetivo del presente trabajo es evaluar la eficiencia térmica y financiera del proceso de secado de grano lavado de café en un secador solar activo tipo invernadero.

Materiales y métodos

El diseño del secador bajo estudio es de tipo invernadero, cuyas medidas son 2.4 m de ancho y 5.6 m de largo, con una cámara útil de secado para 5.8 m³. Consta de un colector de 15 m² formando parte de la cámara de secado, construido con láminas galvanizadas del calibre más bajo, pintadas de negro “mate” en la parte expuesta al sol, con una orientación hacia el sur y una inclinación igual a la latitud del lugar. La construcción es a base de bastidores de PTR y cubierta con polietileno transparente, calibre 720 con tratamiento para rayos UV, comúnmente utilizado en la construcción de invernaderos. Para mover el aire al interior del secador a una velocidad de 1.5 m s^-1, se utiliza un ventilador eléctrico con motor de 0.186425 kW de potencia. Además, cuenta con ventilas de cierre manual para la extracción del aire humedo. El grano fue puesto en charolas hechas con bastidor de madera y malla sombra 80% con dimensiones de 0.3*0.85 m, las cuales sirvieron como camas de secado, formandose ocho charolas por cama, formando cinco líneas de cama dentro del secador. La proporción de grano fue de 19.5 kg m^-2 (^{Menya and Komakech, 2013}).

La eficiencia térmica del secador solar se determinó utilizando la siguiente ecuación (^{Monrudee et al., 2011}; ^{Tiwaria et al., 2013}; ^{Zakaria, 2013}):

Donde: ƞs= eficiencia del secador solar; Wo= peso del material inicial (kg); Wt= peso del material en el tiempo t (kg); Lv= calor latente de vaporización del agua en el café pergamino (kJ kg^-1); Ht= radiación horaria incidente sobre la superficie inclinada del colector; (kJ m^-2); A= área del colector (m²); Pv= consumo de energía por los ventiladores (kJ).

El calor latente de vaporización del agua en el café pergamino (Lv), se obtiene aplicando la siguiente ecuación:

Donde: Lv= calor latente de vaporización del café pergamino, kJ kg^-1; T= temperatura del café, °C; M= contenido de humedad del café, decimal, bs.

Para la evaluación económica, se considerarón los datos siguientes: un volumen de 200 kg (19.5 kg m^-2) de grano de café secados por carga en el secador solar, con un tiempo promedio de secado de 5 días (pérdida de humedad de 55% hasta 12%) y teniendo en cuenta que el periodo de cosecha de café dura 25 semanas aproximadamente, por lo que se asume que se pueden realizar en promedio 25 cargas de secado (una por semana) al año.

En la evaluación del valor presente (VP) o flujo de efectivo descontado (FED), se utilizó la ecuación y consiste en determinar si el valor presente de los flujos esperados justifica la inversión (^{Purohit et al., 2006}; ^{Purohit y Purohit, 2010)}:

Donde: Vp= valor presente de los flujos totales futuros; Ij= ingresos en el carga j-esima; Gj= gastos realizados en el secador solar en la carga j-esima; n= horizonte de planeación; i= tasa de descuento.

El periodo de recuperación de la inversión, se calculo con la siguiente formula (^{Passamai y Passamai, 2006}):

Y la rentabilidad de la inversión del secador solar, se determinó con la formula siguiente:

Resultados y discusión

El proceso tradicional de secado del grano de café es 9-12 días aproximadamente mientras que utilizando un secador solar fue de 44 h de sol acumuladas (5 días en promedio). Se contabilizaron aproximadamente 7 h sol del primer día, ya que el secador fue preparado por la mañana, 10 de los días 2- 4 y 7 del día 5, dado que el secador fue vaciado por la tarde. La temperatura máxima promedio que se alcanzo al interior del secador fue 46 °C, con una humedad relativa de 60% en promedio. Se obtuvo un porcentaje de humedad del café pergamino de 11.8%. Estos resultados muestran que mediante el uso del secador solar se reduce hasta en 40- 60% el tiempo de secado respecto al secado tradicional (Figura 1). Estos resultados son acorde a los reportados por ^{Henry et al. (2013)}, quienes contabilizaron 11 horas de radiación solar diarias y un tiempo entre 5 a 7 días, para secar pimienta mediante secadores solares.

Figura 1 Curva de secado para granos de café en secador solar.  

Al compara las condiciones de temperatura existentes al interior del secador y medio ambiente, siempre son mayores los valores de temperatura al interior del secador por el efecto invernadero (Figura 2), siendo de 20 °C la mayor diferencia y se presenta aproximadamente a las 16 h, esto permitió un secado más acelerado respecto al medio ambiente. La diferencia entre la temperatura interna y del medio ambiente es mayor a la diferencia de 13.6 °C reportada por ^{Menya and Komakech (2013)} en un secador tipo invernadero, localizado en Uganda, e igualmente mayor a la diferencia de temperatura de 12.8 °C reportada por ^{Monrudee et al. (2001)} y de 14.1 °C reportada por ^{Almuhanna (2012)}, ambos en secadores tipo invernadero, e inferior a la diferencia máxima de 27 °C reportada por ^{Ferreira et al (2008)} mediante una chimenea solar o a la diferencia de 29.9 °C de temperatura al interior de un secador solar sobre la temperatura ambiental, reportada por ^{Sreekumar (2013)}.

Figura 2 Temperaturas interior del secador-exterior (ambiente), en un día normal al iniciar el otoño (septiembre).  

Sin embargo, el perfil de temperatura no es constante durante las horas de un mismo día, y tampoco durante los días que dura el proceso de secado. Esto se debe a que la temperatura del secador depende de la radiación solar, que no es constante. También la humedad relativa del aire de secado es un factor crítico para controlar la velocidad de secado del producto. Cuanto menor sea la humedad relativa, mayor es la capacidad de absorción de aire de secado. Para determinar la eficiencia global del secador se tomaron los datos promedio de insolación en el área donde se evaluó el secador, la cual se determinó utilizando la ecuación 1, teniendo como resultado un estimando de 12%.

Por otro lado, la pérdida de humedad fue más rápida en las etapas inicales del secado, dado que el grano tiene mayor contenido de humedad y el agua presente es más facil de remover, volviendose cada vez más difícil extraer humedad al final del proceso de secado. Estos resultados son congruentes con las evaluaciones realizadas por ^{Rajeshwari and Ramalingam (2012)}, quienes reportan una eficiencia de 15% a 18%, en todas las condiciones de ensayo de un diseño de secador solar tipo caja, pero son valores bajos con respecto a la eficiencia de 29% al secar café con un secador solar indirecto con convección forzada, reportada por ^{Restrepo y Burbano (2005)} y al valor de 52.55% de eficiencia media durante un día, reportado por ^{Sreekumar (2013)}. ^{Bergues-Ricardo y Díaz-López (2014)} al evaluar una muestra de secadores solares existentes en Latinoamérica, determinaron que su eficiencia varía entre 2 y 50% en promedio.

Como el proceso de secado afecta en gran medida la calidad del café en términos de apariencia y sabor. Cuando el proceso de secado de grano de café se realiza adecuadamente dentro de las condiciones recomendadas, se obtiene un producto de calidad superior (^{Menya and Komakech, 2013}). Así, dependiendo de la ubicación del secador y las condiciones de insolación, en ciertas horas del día se pueden alcanzar temperaturas de hasta 50 °C al interior del secador, que son apropiadas para el proceso de secado del café (^{Restrepo y Burbano, 2005}). Esto debido a que cuando se sobrepasan 50 °C de temperatura en el proceso de secado del grano de café durante un periodo de 4 a 10 h, existen pérdidas en el sabor del café. Un sobrecalentamiento durante el secado produce sabores agrios o “cocinados” en la bebida de café o un grosor minimo de la capa de los granos a secar, generando un endurecimiento de las superficies exteriores de los granos de café que comprometen el cuerpo y sabor del mismo (^{Menya and Komakech, 2013}).

Un aspecto relevante a tener en cuenta, es lo que pasa durante la noche, cuando existe un enfriamiento de la camára de secado, llegando a generarse condensación en las paredes del secador. Una forma de manejar este aspecto es mantener abiertas las ventilas y prender el ventilador para mover la humedad relativa del interior de la camára.

En relación a la evaluación económica, aplicando la metodología empleada por ^{Purohit et al. (2006)} para determinar el costo de secado, que está en función del tiempo y de los insumos (energía eléctrica, depreciación del equipo, volumen de café pergamino, salarios por carga, costo del terreno y de administración), el resultado fue de $4.00 por kg de café pergamino (Cuadro 1). Los gastos para realizar el proceso de secado de una carga de café lavado hacienden a un total de $3 200.00 (Costo total del secado más el costo del café ssin secar) y un costo de instalación de un secador solar de $25 000.00. El precio de mercado del café pergamino es de $32.50 kg. Comercializando el grano secado en el secador solar bajo este esquema, genera un ingreso de $6 500.00, lo que implica una utilidad de $3 300.00 por carga de secado. Bajo el supuesto de un uso intensivo (realización de 25 cargas por año), duarante el primer año existe un flujo neto de $57 500.00 (Cuadro 2).

Cuadro 1 Costos por kilogramo y costo total del secado solar de granos de café.  

Al aplicar la ecuación del valor presente (VP) o flujo de efectivo descontado (FED) con los datos del Cuadro 2, y asumiendo un horizonte de planeación de 5 años (vida útil promedio del secador solar), con un gasto de mantenimiento anual de $5 000.00 (sustitución de la cubierta de polietileno transparente) y una tasa de descuento anual de 8%. El ingreso anual es de $74 500. 00 y un valor presente al final del horizonte de planeación igual a $335 004. 00 (Cuadro 3), todo bajo la consideración de secar café lavado y con un uso de tiempo completo del secador solar (25 cargas al año).

Cuadro 2 Flujo neto ($) del secado solar de granos de café en el primer año de servicio.  

Cuadro 3 Valor presente del proyecto de secado solar de grano de café.  

Con los ingresos netos obtenidos del primer año durante el cual se utilizo el secador solar y aplicando la ecuación del periodo de recuperación de la inversión, se tiene un valor de 0.435, que implica una recuperación en menos del año y para saber en que carga será, se realiza la operación siguiente:

Esto significa que la recuperación se realiza al terminar la onceava carga de secado, en el secador solar. Que de utilizarse de tiempo completo, esto seria aproximadamente a los tres meses de realizada la inversión. Estos resultados son acordes al periodo de recuperación de aproximadamente seis meses cuando los secadores solares son utilizados para el deshidratado solar de manzana, y menor al periodo de recuperación reportado por ^{Monrudee et al. (2011)} de 1.15 años, considerado bastante corto en relación a la vida útil de un secador solar.

La rentabilidad de la inversión del secador solar tuvo un valor final de 2.3. Esto es que al tener un flujo anual de $57 500.00 por realizar 25 cargas de secado, se tiene una rentabilidad de 230%, siendo muy atractiva la inversión. Esto a pesar del bajo volumen que se seca por carga, pero ^{Mohod et al. (2011)} reportan una relación beneficio costo de 1.21 y un periodo de recuperación de 2.84 años.

Esta recuperación de la inversión y su respectiva rentabilidad, es posible bajo el supuesto de que el secador será utilizado a su máxima capacidad y todo el tiempo, de lo contrario, al igual que los secadores convencionales estarán siendo subutilizados y generando pérdidas económicas.

Conclusiones

El tiempo para secar café utilizando un secador solar activo tipo invernadero en el área cafetalera de la sierra nororiental de Puebla, es de 5 días en promedio. Lo que demuestra que el tiempo de secado se reduce en un 40- 50% aproximadamente, con un incremento de la temperatura interior de 20 °C respecto a la temperatura ambiente, que genera una eficiencia global del secador solar estimada en aproximadamente 12%, que lo hace apto obtener café pergamino seco a nivel de pequeños productores.

El valor presente de los flujos son positivos desde los primeros tres meses de uso, por lo que se recomienda utilizar los secadores solares en el secado de grano de café. El periodo de recuperación de la inversión en el secado solar, se logra al realizar la onceava carga de secado, por lo que el tiempo de recuperación depende de la intensidad de uso del secador solar.