Introducción

Las necesidades del consumo energético y la preservación del medio ambiente, han llevado a buscar fuentes de energía renovables. Al respecto, el uso de la madera ha ganado importancia a nivel mundial y ha estimulado una mayor investigación, ya que es una materia prima esencial en el suministro de energía para muchos sectores en el mundo, como el industrial, el comercial, para el transporte y familiar, este último especialmente en las comunidades rurales de los países en desarrollo que emplean la biomasa de los bosques como una fuente energética para cocinar y calentar alimentos (^{FAO, 2008}).

La madera se usa para producir diferentes tipos de combustibles: sólidos, líquidos y gaseosos (^{Trossero, 2002}) y tiene aplicaciones en la energía térmica (agua o aire caliente, vapor), la eléctrica, la cogeneración de calor e incluso en la energía mecánica (^{Nogués y Herrer, 2002}).

El uso racional y adecuado de la madera como fuente de energía debe guiarse por el crecimiento y desarrollo de la especie, y por sus propiedades energéticas. El poder calorífico, es una de las variables más estudiadas para evaluar la energía y el potencial energético de la especie, principalmente como leña (^{Shanavas y Kumar, 2003}; ^{Nirmal et al., 2011}); sin embargo, otras propiedades: la densidad básica, los contenidos de humedad, cenizas, material volátil y carbono fijo tienen que considerarse para evaluar y determinar la idoneidad de una madera para su uso como combustible (^{Nirmal et al., 2011}; ^{Sotelo et al., 2012}). Algunas de estas propiedades se han tomado en cuenta para evaluar la madera de ramas de una gran diversidad de taxa arbóreo y arbustivo empleados como leña en la India, en donde se ha llevado a cabo la mayor parte de la investigación de la madera como combustible doméstico (^{Chettri y Sharma, 2007}; ^{Bhatt et al., 2010}; ^{Nirmal et al., 2011}; Sahoo et al., 2014; ^{Sedai et al., 2016}; ^{Bhatt et al., 2017}).

Los valores promedio de poder calorífico de la madera, en base anhídrida, oscilan entre 18.0 y 20.72 KJ g^-1, el más alto corresponde a las coníferas por el contenido de resinas, respecto a las latifoliadas (^{Vignote y Martínez, 2006}).

Aunque el poder calorífico en peso es mayor en la madera de coníferas, debido a la presencia de ácidos resínicos; a nivel volumétrico, la densidad energética de la biomasa procedente de las latifoliadas con alta densidad es más significativa y relevante desde el punto de vista cuantitativo, que las diferencias registradas en el poder calorífico, ya que la energía por unidad de volumen es mayor y su combustión es más lenta (^{Sotelo et al., 2012}; ^{Ortiz, 2013}).

Los valores promedio de poder calorífico que se citan para diferentes taxa de Acacia son de 19.41 ± 1.53 KJ g^-1, con una variación de 7.9 %. Estos valores dependen de la especie, la altura, las condiciones de crecimiento, la parte y posición del árbol de donde se toma la muestra, la edad y el espaciamiento (^{Espinoza et al.,1989}; ^{Farfán et al., 1989}; ^{Vale et al., 2000}; ^{Kataki y Konwer, 2002}; ^{Shanavas y Kumar, 2003}; ^{Quirino et al., 2004}; ^{Manrique et al., 2009}; ^{Kumar et al., 2011}; ^{Nirmal et al., 2011}; ^{Barros, S. V. dos S. et al., 2012}; ^{Agostinho- Da Silva et al., 2014}; ^{Nasser y Aref, 2014}; ^{Eloy et al., 2015}; ^{Ngangyo-Heya et al., 2016}).

La madera como fuente de energía, principalmente como leña o carbón, aporta 80 % de la energía usada en los hogares rurales de México (^{Díaz y Masera, 2003}) y algunos municipios del país tienen áreas críticas por su índice de prioridad de leña, el cual relaciona su consumo y la disponibilidad de recursos forestales. En el estado de Veracruz, los municipios Zongolica y Naranjal son de alta prioridad, cuyo consumo anual de leña proveniente de áreas forestales es de 27.7 y 2.72 Mg año^-1, respectivamente (^{Masera et al., 2004}). En la región de Zongolica, existen alrededor de 25 especies que son las más utilizadas como leña en las zonas rurales, destacan Acacia pennatula Schltdl. & Cham. y Trema micrantha (L.) Blume (^{Honorato, 2010}).

A pesar de la importancia de las especies que se utilizan como combustible en México, en particular en la región de Zongolica, existe poca información sobre las propiedades energéticas de la madera que se usa como leña, las cuales son importantes para elegir los taxa que producen leña de mayor calidad; por ello, el objetivo de este trabajo fue caracterizar energéticamente la madera de Acacia pennatula y Trema micrantha provenientes de Zongolica y Naranjal del estado de Veracruz, así como comparar sus valores, con el fin de proporcionar datos técnicos que permitan seleccionar mejor las especies para usarlas como combustible.

Materiales y Métodos

Se seleccionaron al azar de cinco a siete ramas de tres árboles de Acacia pennatula y Trema micrantha. Los individuos de A. pennatula se colectaron en el municipio Zongolica, Ver.; mientras que los de T. micrantha en los municipios Zongolica y Naranjal, Ver. Las coordenadas de los sitios de colecta se muestran en el Cuadro 1.

Cuadro 1 Coordenadas geográficas de los sitios de colecta. 

El clima en las zonas de muestreo de los sitios de colecta corresponde al tipo semicálido húmedo (A) C (m), con temperatura media anual superior a 18 °C, temperatura del mes más frio menor de 18 °C, temperatura del mes más caliente mayor a 22 °C (^{Inegi, 2008}); vegetación arbórea secundaria de selva alta perennifolia (^{Conafor, 2014}); suelo dominante Luvisol crómico, de textura fina para el sito 3 de T. micrantha y Regosol dístrico, de textura fina para el resto de los sitios (^{Inegi, 2014}).

Los árboles seleccionados fueron de 5 a 10 m de altura, sanos y ramificados. Las ramas elegidas midieron de 5 a 10 cm de grosor. Tres ramas de mayor diámetro se cortaron a 1.0 m de largo, a partir de la base y se descortezaron para después obtener una sección transversal a 10 cm de los extremos con ellas se determinó la densidad básica, mediante el método de inmersión, de acuerdo con los procedimientos de la norma ASTM D2395 (^{ASTM, 2009a}). El resto de las ramas fueron cepilladas en un canteador eléctrico Mizutti de dos cuchillas para obtener viruta, la cual se secó a temperatura ambiente (20 °C), se mezcló y molió en un molino tipo Thomas Wiley. La madera molida se tamizó en mallas de los números 40(0.425 mm) y 60 (0.250 mm).

El poder calorífico se obtuvo con pastillas comprimidas de madera molida de 0.9 a 1 g, en un calorímetro de bomba (Isoperibol, Parr 1266) con base en la norma ASTM E711 (^{ASTM, 2000}), y a las instrucciones de operación del calorímetro (^{Parr, 1999}), a una temperatura de 30 ± 0.5 °C. Paralelamente se registró el contenido de humedad (C. H.) de las muestras en una balanza de humedad Ohaus MB45^®, previamente calibrada.

Para el análisis proximal (material volátil, cenizas y carbono fijo) se utilizó el material molido y retenido en la malla 60; se realizaron cuatro repeticiones por determinación para cada árbol. El análisis proximal se llevó a cabo con base en las normas ASTM: la norma E871 para el contenido de humedad (^{ASTM, 2012b}); E872 para material volátil (^{ASTM, 2012c}); D1102 para cenizas (^{ASTM, 2009b}); y E870 para carbono fijo (^{ASTM, 2012a}).

El índice de valor de combustible (IVC) se calculó con la relación (^{Deka et al., 2007}):

(1)

Se aplicó un análisis de varianza y después una prueba de t (α = 0.05) con el programa SAS (^{SAS, 2000}).

Resultados

En el Cuadro 2 se resumen los estadísticos del análisis de varianza. Hubo diferencias significativas (p < 0.05) para cada una de las determinaciones en la madera de Acacia pennatula y Trema micrantha.

La densidad básica, el poder calorífico, el contenido de humedad, el IVC, el material volátil y la cantidad de cenizas presentaron valores superiores en la madera de Acacia pennatula (cuadros 3 y 4). En contraste, la madera de Trema micrantha registró mayor contenido de carbono fijo (Cuadro 4).

Cuadro 2 Resumen del análisis de varianza de la madera de Acacia pennatula Schltdl. & Cham. y Trema micrantha (L.) Blume para las diferentes determinaciones realizadas. 

^† = Los valores con la misma letra no son significativamente diferentes (p ≤ 0.05).

Cuadro 3 Poder calorífico, densidad básica e índice de valor de combustible de la madera 

* = Con base en el peso anhidro de las muestras. † = Los valores con la misma letra no son significativamente diferentes (p ≤ 0.05).

Cuadro 4 Análisis proximal de la madera 

Discusión

El poder calorífico de un material es una medida de su contenido energético o valor del calor liberado cuando se quema en el aire e indica el potencial de calentamiento al usarlo como combustible (^{McKendry, 2002}; ^{Carbon Trust, 2009}). En este trabajo, el poder calorífico de la madera de A. pennatula fue de 18.54 KJ g^-1, valor mayor a 17.38 KJ g^-1, obtenido por ^{Farfán et al. (1989)}, para ramas de la misma especie. Para taxa de Acacia, en México, el valor también es más alto que los obtenidos para el fuste (17.38 KJ g^-1) de Acacia cochliacantha (^{Farfán et al., 1989}), así como para el fuste y ramas de Acacia berlandieri (17.64 KJ g^-1 y 7.22 KJ g^-1); así como para Acacia wrightii (17.93 KJ g^-1 y 17.89 KJ g^-1) (^{Ngangyo-Heya et al., 2016}).

^{Espinoza et al. (1989)}, documentan el poder calorífico en un intervalo de 19.23 a 20.20 KJ g^-1 para Acacia retinoides, los cuales superan a los citados en A. pennatula; el cual también coincide con lo consignado (16.92 a 26.63 KJ g^-1) para la madera del fuste y ramas de Acacia spp. de otros países (^{Vale et al., 2000}; ^{Kataki y Konwer, 2002}; ^{Shanavas y Kumar, 2003}; ^{Quirino et al., 2004}; ^{Manrique et al., 2009}; ^{Kumar et al., 2011}; ^{Nirmal et al., 2011}; ^{Barros, S. V. dos S. et al., 2012}; ^{Agostinho-Da Silva et al., 2014}; ^{Nasser y Aref, 2014}; ^{Eloy et al., 2015}).

^{Costa (2011)} en un estudio con T. micrantha señala para la madera del fuste un poder calorífico de 18.93 KJ g^-1; menor al obtenido en este estudio (17.76 KJ g^-1); sin embargo, es superior a 16.07 KJ g^-1 y a 15.45 KJ g^-1, citado para la madera del fuste de la misma especie y para T. orientalis, respectivamente (^{Moreno y Garay, 1989}; ^{Shanavas y Kumar, 2003}).

El contenido de humedad en la madera afecta, negativamente, el valor calorífico, debido a la cantidad de energía que se necesita para evaporar el agua. A medida que es más alto, la madera es menos eficiente como combustible, ya que el valor calorífico neto por el calentamiento se reduce (^{Bhatt et al., 2010}). En la evaluación de la madera de las especies para su uso como combustible, el contenido de humedad no debe ser considerado como parte del valor intrínseco de una especie, ya que la humedad varia con las dimensiones de la madera, la parte del árbol, la estación del año y las condiciones ambientales (^{Bhatt et al., 2010}; ²⁰¹⁷).

Para evitar el efecto de la humedad, en la presente investigación, el contenido de humedad se determinó en las muestras secadas en condiciones similares. y aun así se observaron diferencias, el mayor fue para la madera de Acacia pennatula (9.15 %) que en la de Trema micrantha (8.25 %), lo cual puede deberse a las diferencias en densidad básica y en su estructura anatómica (^{Rowell, 2005}).

La densidad básica es una propiedad física que se utiliza para evaluar la madera como combustible y junto con el poder calorífico determinan su densidad energética, que es una medida de la energía almacenada por unidad de volumen (^{Carbon Trust, 2009}). En la madera de Acacia pennatula su valor fue de 0.571 g cm^-3, la cual es mayor a la que cita ^{Espinoza et al. (1989)}, para el fuste de Acacia retinoides (0.530 g cm^-3), pero menor a lo determinado para las ramas de Acacia auriculiformis (0.850 g ^cm-3) (^{Kataki y Konwer, 2002}), Acacia leucophloea (0.932 g cm^-3) (^{Nirmal et al., 2011}) y 0.900-0.966 g cm^-3) (^{Kataki y Konwer, 2002}; ^{Nirmal et al., 2011}); sin embargo, está dentro del intervalo de 0.405 a 0.990 g cm^-3, que se registra para el fuste de varias especies de Acacia (^{Vale et al., 2000}; ^{Shanavas y Kumar, 2003}; ^{Quirino et al., 2004}; ^{Manrique et al., 2009}; ^{Nirmal et al., 2009}; ^{Kumar et al., 2011}; ^{Barros et al., 2012}; ^{Agostinho-Da Silva, 2014}; ^{Nasser y Aref, 2014}; ^{Eloy et al., 2015}).

La madera de Trema micrantha tuvo una densidad básica de 0.343 g cm^-3, la cual es superior a lo indicado (0.239 g cm^-3) por ^{Moreno y Garay (1989)}, aunque menor a lo obtenido (0.364 g cm^-3) por ^{Costa (2011)}; ^{Shanavas y Kumar (2003)} también señalan un valor mayor de 0.430 g cm^-3 para T. orientalis.

Existen diferentes índices de valor de combustible utilizado para cuantificar y comparar la calidad de la madera como combustible (^{Deka et al., 2007}), pero el más usado es el señalado en la expresión (1). El índice de valor de combustible (IVC) de la madera de Acacia pennatula fue de 10 813 y Trema micrantha de 9 347. Los valores obtenidos superan a los indicados (597-1 999) por ^{Manrique et al. (2009)} y ^{Shanavas y Kumar (2003)} para algunas Acacia spp., y por ^{Shanavas y Kumar (2003)} para Trema orientales (975); sin embargo están dentro del intervalo superior (5 403 - 1 596) documentado para otras especies de latifoliadas (^{Chettri y Sharma, 2007}). Las diferencias en este índice se deben a que es afectado por los contenidos de humedad y ceniza (^{Deka et al., 2007}).

El análisis proximal se usa para caracterizar la biomasa como combustible, y en él se determinan los contenidos de material volátil (MV), cenizas (Ce) y carbono fijo (CF), expresados con base en el peso anhidro. Si se emplea como referencia el peso húmedo, se incluye el contenido de humedad (^{Jameel et al., 2010}).

El material volátil de un combustible es la porción de gases y vapores condensables y no condensables que se libera cuando se calienta el combustible a un tiempo y temperatura específicos (^{Basu, 2013}). Para la madera de Acacia pennatula, su valor fue de 86.56 %, el cual es más alto a lo registrado para A. mearnsii (75.3-82.3 %) (^{Agostinho-Da Silva et al., 2014}; ^{Eloy et al., 2015}) y para A. auriculaeformis (81.3-84.8 %) (^{Kumar et al., 2011}). En lo que respecta a la madera de Trema micrantha, se carece de información en la literatura; sin embargo; los valores determinados están dentro de los intervalos de 79. 1 a 85.8 % consignados para otras latifoliadas (^{Kumar et al., 2011}; ^{Agostinho-Da Silva et al., 2014}).

La ceniza es el residuo sólido inorgánico que resulta después de quemar completamente el combustible, contiene metales alcalinos, sílice y otros materiales inorgánicos (^{Basu, 2013}). El contenido de cenizas en la madera de Acacia pennatula (1.07 %) fue más alto a 0.30 -0.74 % y 0.33-0.66 %, señalados para A. auriculaeformis y A. mearnsii, respectivamente (^{Kumar et al., 2011}; ^{Eloy et al., 2015}); aunque, más bajo que el indicado (1.4-4.0 %) en otras especies de Acacia (^{Manrique et al., 2009}; ^{Agostinho-Da Silva et al., 2014}; ^{Nasser y Aref, 2014}). El contenido de cenizas consignado para Trema micrantha fue de 1.92 % (^{Costa, 2011}), mientras que para T. orientalis es de 1.20 % (^{Shanavas y Kumar, 2003}), el cual es superior al determinado, en este estudio para Trema micrantha (0.79 %).

El carbono fijo es el residuo carbonoso sólido de la liberación de los volátiles de la biomasa, excluye las cenizas y la humedad (^{McKendry, 2002}). La cantidad de carbono fijo para la madera de Acacia pennatula fue de 12.37 %, cuyo valor es menor a los citados de 14.4 % para A. auriculaeformis (^{Kumar et al., 2011}), de 20.9 % para A. mangium (^{Barros et al., 2012}) y de 16.9 a 23.2 % para A. mearnsii (^{Agostinho-Da Silva et al., 2014}; ^{Eloy et al., 2015}). En Trema micrantha se estimó16.31 % de carbono fijo, que está dentro de los valores de 13.7 a 19.7 % obtenidos para la madera de otras latifoliadas (^{Kumar et al., 2011}; ^{Agostinho-Da Silva et al., 2014}).

Conclusiones

La madera Acacia pennatula y Trema micrantha presenta diferencias en sus propiedades energéticas.

El valor de poder calorífico, el contenido de cenizas, material volátil y carbono fijo en la madera de las especies estudiadas permite considerarlas como fuente de materia prima para la obtención de combustibles. Y los valores de energía, así como el índice de valor de combustible corresponden a los intervalos registrados por otros autores para la madera de latifoliadas.

Si se considera la densidad básica y el poder calorífico, la madera de Acacia pennatula es la más idónea para usarse como combustible doméstico, ya que proporciona mayor energía por metro cubico