Libro Eco_lógicas Mercosul 2010/2011

Auspiciante

Eco_LógicasConcurso Mercosur de Monografías sobre

Energías Renovables y Eficiencia Energética

Trabajos Premiados

Florianópolis2012

Quorum ComunicaçãoRua Lauro Linhares, 2123Trindade Center Torre A, Sala 410CEP 88036-002 - Florianópolis/SCFone/fax: (48) 3334 [email protected] www.quorumcomunicacao.com.br

E17 Eco_lógicas : Concurso Mercosur de Monografías sobre Energías Renovables y Eficiencia Energética : trabajos premiados / Instituto para el Desarrollo de Energías Alternativas em Latinoamérica. – Florianópolis : Quorum Comunicação, 2012. 156 p.

Inclui bibliografia 1. Energia – Fontes alternativas. 2. Energia – Aspectos ambientais. 3. Recursos naturais renováveis. CDU:620.9

Catalogação na publicação por Onélia S. Guimarães CRB-14/071

COMISIÓN ORGANIZADORA

Fátima MartinsMauro PassosPaula Scheidt Manoel

COMISIÓN JUZGADORA

Dr. Ricardo Rüther - Ph.D. en Energía Solar. Profesor del Laboratorio de Energía Solar de la Universidad Federal de Santa Catarina. Profesor del Laboratorio de Energía Solar de la Universidad Federal de Santa Catarina e integrante del La-boratorio de Eficiencia Energética;

Dr. João Tavares Pinho - Profesor Titular de la Universidad Federal de Pará, es coordinador del Grupo de Estudios y Desarrollo de Alternativas Energéticas - GEDAE y del INCT de Energías Renovables y Eficiencia Energética de Amazonia – INCT/EREEA;

Pedro Osvaldo Prado - MSc. Ing Director del Grupo de Investigación en GeoTec-nologías, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, Univer-sidad Nacional de Mar del Plata;

Marco Antônio Dalla Costa - Dr. Ing. Universidad Federal de Santa María, Pro-grama de Post Grado en Ingeniería Eléctrica, Grupo de Estudio y Desarrollo de Reactores Electrónicos;

Wendell de Queiroz Lamas - Dr. Ing. - Becario de post grado en “Cadena de pro-ducción de Etanol”, Univ Estatal Paulista - Departamento de Energía - Labora-torio de Optimización de Sistemas de Energía, BIOEN-UNESP;

Román Horacio Buitrago - Ph.D., de la Universidad Nacional del Litoral (Argentina);

Cícero Bley;

Daniel Perciante.

pRODUCCIÓN EDITORIAL

Quorum ComunicaçãoCoordinación: Gastão CasselDirección de arte: Audrey Schmitz SchveitzerTratamiento de imágenes y diagramación: Taís Andrade MassaroImpresión: Alternativa Gráfica

>>> El año 2012 se presenta como una nueva etapa de concientización para la sostenibilidad ambiental. La iniciativa global Rio+ 20, Conferencia de las Naciones Unidas que promoverá debates internacionales en Brasil, es la marca y al mismo tiempo el compromiso con los cambios. Para el Instituto para el Desa-rrollo de Energías Alternativas en Latinoamérica (IDEAL) también es un año de buenas expectativas.

Consolidamos, definitivamente, nuestro principal proyecto de incentivo a la in-vestigación: El concurso Eco_lógicas de Monografías sobre Energías Renovables y Eficiencia Energética.

En su tercera edición, cruza las fronteras de Brasil y llega hasta los países vecinos. En esta caminata incorporamos aliados del Mercosur al proyecto como el Centro de Integración Regional – CEFIR, la Asociación de Universidades Grupo de Montevideo-AUGM, la Universidad Católica de Uruguay- UCU, la Oficina Regional de Ciencia de la Unesco para Latinoamérica y Caribe y el Par-lamento del Mercosur.

Además de los estudiantes de post grado, también recibieron premios los alum-nos de grado que presentaron proyectos de eficiencia energética y energía alter-nativa en diferentes sectores académicos. Las siete monografías premiadas están publicadas en esta edición y sus profesores orientadores igualmente recibirán un premio de incentivo a la continuidad de las investigaciones.

La obra se distribuirá gratuitamente a las universidades, centros de investi-gación, empresas de energía eléctrica y órganos gubernamentales de los cuatro países del Mercosur. El concurso tuvo el auspicio de Itaipú Binacional, Tractebel y Petrobras. El apoyo de esas empresas fue fundamental para el éxito de esta ini-ciativa en la que se involucraron los cuerpos académicos de países comprometidos con el conocimiento, la sostenibilidad y la integración.

MAURO pASSOSPresidente del Instituto Ideal

pRE

SEN

TAC

IÓN

>>> Grado

Beñat Araucua, Silvia Bentancur, Matias Varón | Viabilidad para la generación de energía eléctrica a través del uso de residuos forestales. >>> 11

Estela María Riveros Rodas, Segundo Javier Amatte Mereles | Medidas de sustitución eficiente de fuentes de energía en la república del Paraguay. >>> 31

Ignacio Ferrero | Producción de biodiesel a partir de microalgas como alternativa a los cultivos clásicos. >>> 53

Lúcio Costa proença | Utilización de digestores anaeróbicos para el tratamiento de residuos orgánicos urbanos con aprovechamiento energético del biogás en Florianópolis, SC. >>> 71

>>> post Grado

Christophe J. J. Bello | Uso de sistemas solares fotovoltaicos para la electrificación rural en el norte argentino, en un contexto de crisis energética mundial. >>> 93

Ignacio Vieitez Osorio | Transesterificación en alcoholes supercríticos como alternativa para la producción de biodiesel. >>> 111

Rodrigo Barichello | Pequeño condominio de agroenergía a partir del biogás proveniente del tratamiento de deyecciones de porcinos: un estudio de caso en el municipio de Tucunduva, RS. >>> 133

SUM

AR

IO

11

>>> VIABILIDAD pARA LA GENERACIÓN DE ENERGíA ELéCTRICA A TRAVéS DEL USO DE RESIDUOS FORESTALES

Beñat Araucua, Silvia Bentancur, Matias Varón

RESUMEN EJECUTIVO

El trabajo descrito en este documento se centra en el estudio de factibilidad técnica y viabilidad económico–financiera de instalación de plantas de generación de energía eléctrica del entorno de 12 MWh a partir de residuos forestales, ac-tualmente sub utilizados.

El esquema de negocios se basa en la comercialización de 10 MWh a través de un contrato fijo con la empresa estatal de energía eléctrica de Uruguay (UTE) y los restantes 2 MWh a través del Mercado Spot siempre que el mismo presente precios atractivos para el ingreso (caso contrario esta energía cubre el auto-consumo de la planta).

El caso de estudio se basa en la implementación de dicha planta en la locali-dad de Tranqueras, Departamento de Rivera, Uruguay. La inversión requerida se sitúa en el orden de los USD 20.000.000 y es posible estimar ingresos anuales por USD 10.300.000. La rentabilidad esperada del proyecto a partir del VAN es de USD 3.569.140 y la tasa interna de retorno se sitúa en el entorno del 18%.

Se espera que este tipo de proyectos produzcan, en promedio, reducciones certificadas de emisiones comercializables equivalentes a 48.000 tCO2/Año, tal análisis se discute en este trabajo. La implementación de un proyecto de estas características implica la utilización de aproximadamente 140.000 toneladas de residuos forestales al año que, de otra forma, serían desaprovechados.

El presente trabajo comprende los estudios preliminares, estudios de inge-niería, proyección de impacto ambiental así como también los resultados de la evaluación económica financiera.

PALABRAS CLAVES: biomassa, energia, renovable.

INTRODUCCIÓN

La urgente necesidad a nivel mundial de generar respuestas a corto plazo en lo que se refiere a las consecuencias del cambio climático y dependencia de combustibles fósiles hace que la comunidad internacional ponga sobre la agenda

GR

AD

O

12 Eco_Lógicas: Concurso Mercosur de Monografías sobre Energías Renovables y Eficiencia Energética. Trabajos Premiados.

de trabajo la posibilidad de incorporar la biomasa1 como posible respuesta a la problemática.

En el caso particular del Uruguay, la situación energética se presenta con similares características al resto del mundo, dado que el país es un gran depen-diente de combustibles fósiles. Por otra parte, existe un mercado creciente de consumo de energía eléctrica, lo que sumado al anterior factor hace que el tema energético se sitúe en un punto neurálgico para la estrategia país en los próxi-mos años. A través de un consenso político nacional, se han elaborado metas y objetivos que viabilizan la concreción de proyectos vinculados con la utilización de energías renovables. Algunos de estos acuerdos ya han sido ejecutados por los distintos organismos involucrados, obteniéndose muy buenos resultados.

La actividad forestal en Uruguay ocupa gran parte de la economía Nacional y los residuos provenientes de esta explotación fueron, durante décadas, considera-dos como desechos. A partir de este proyecto, se busca convertir estos desechos en materia prima para la generación eléctrica, logrando así contribuir a la di-versificación de la matriz energética en Uruguay al tiempo de mitigar el impacto ambiental por el uso de energías no renovables.

CONTExTO ENERGéTICO

Matriz Eléctrica Regional

En América Latina, la electricidad representó el 23% del consumo total de energía en el año 20072. El 57% de la electricidad se obtuvo a partir de la utili-zación de centrales hidroeléctricas y 40% por centrales térmicas, mientras que la energía nuclear alcanzó el 2,4% y el resto de las energías 1,1%.

Las emisiones de CO2 en la región alcanzaron el 4,9% de las emisiones glo-bales al año 2007. Las emisiones “per cápita” de CO2 son bajas en comparación con los países desarrollados de la OCDE3, pero tienden a incrementarse debido al crecimiento económico en la región así como el aumento significativo en la explotación de petróleo y gas.4

1 La biomasa es una sustancia orgánica renovable, de origen animal o vegetal, de acuerdo con datos de: Contexto energético regional y alternativas para Uruguay, Fundación Ferreira Aldunate, 2009.2 Último dato disponible, OLADE “ENERLAC-Revista de Energía - América latina y Caribe”, 2010.3 OCDE- Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos4 De acuerdo con datos de: ENERLAC, Revista de energía- América Latina y el Caribe, Año 1 - Nº 1 - Octubre 2009.

13

Matriz Eléctrica en Uruguay

El sistema uruguayo eléctrico contaba, al año 2010, con una potencia instala-da de 2.450 MW. Los mismos se encontraban distribuidos de la siguiente manera:

Tabla 1.1- Generación eléctrica por origen en Uruguay. De acuerdo con: Work-shop regional sobre Smart Grids, Ing. Lorena Di Chiara, DNETN, MIEM, 2011.

Fuente Potencia (MW)

Hidráulica 1.544

Térmica 833

Renovables no convencionales 73

Total del sistema 2.450 MW

La potencia instalada es superior a la demanda máxima del sistema que, en promedio, es de 1.100 MW con picos de 1.750 MW pero, debido a la predomi-nancia de la fuente hidráulica en la matriz, se requiere contar con capacidad térmica de respaldo en caso de escasez del recurso hídrico. Al año 2010, la fuente hidráulica representó el 87,8% de la producción total, seguida por la energía tér-mica con un 7,4%, biomasa 2,5%, eólica 0,7% y el restante 1,6% corresponde a energía eléctrica proveniente de importación.

La energía eléctrica anual demandada es de aproximadamente 9.300 GWh. El consumo de electricidad ha ido en aumento, situándose en el año 2010 en el entorno de los 2.735 KWh/hombre. Se estima que, en el año 2018, el consumo energético crecerá un 28% respecto al 2010, por lo que es fundamental contar con inversiones en infraestructura volcadas al sistema energético al tiempo de potenciar todas aquellas fuentes autóctonas que permitan satisfacer la demanda, entra las que se encuentra los desechos de campo.5

A través de un plan Nacional respaldado por todo el sector político, se han determinado una serie de metas, objetivos y acciones a mediano y corto plazo, entre los que se encuentran:

• Tener un 15% de generación eléctrica a partir de fuentes renovables• Se plantea que no menos de un 30% de los residuos agroforestales sean

utilizados con fines de generación de energía• En lo que se refiere a combustibles, se fija como meta que no menos del

10% del combustible utilizado en el transporte de cargas y pasajeros provenga de fuentes de energías alternativas

• En materia de generación de energía eólica, se prevé la instalación de más de 250 MW, en lo que se refiere a biomasa, se estima tener una

5 De acuerdo con datos de: Estado actual y perspectivas de la generación eléctrica en base a fuentes de energías renovables no tradicionales en Uruguay, UTE, 2008.


capacidad instalada de 200 MW, mientras que 50 MW provendrían de instalaciones mini hidráulicas

• Peso del petróleo en la matriz energética menor al 45%

Proceso hacia el largo plazo (2025 y después):• Haber culminado exploración de gas y petróleo• Haber ensayado combustibles fósiles autóctonos (esquistos)• Proceso de incorporación de nuevas fuentes muy avanzado• Cultura de eficiencia energética• Empresas locales produciendo insumos energéticos

Marco legal

La Ley N° 14.694 del año 1997 y su posterior actualización en el año 2002 establecida en la Ley N° 16.832 determinan la conformación del Sistema Eléc-trico Nacional.

Mercado Mayorista de Energía Eléctrica

El MMEE6 se rige a través del Reglamento, por el cual es regulado, operado y administrado. Este Reglamento fue elaborado por el parlamento uruguayo en el año 2007. El documento pauta las diversas formas de relación comercial entre la ADME7 y los distintos participantes del Mercado, así como los requisitos para efectivamente poder participar del MMEE.

Entre los principales objetivos del Reglamento se encuentran, de acuerdo a la sección 1, título 1: “Establecer los principios, procedimientos, criterios, derechos y obligaciones referidos a la programación, despacho y operación integrada SIN8 y la administración centralizada del Mercado Mayorista de Energía Eléctrica”.

El DNC9 es el organismo encargado de hacer cumplir el Reglamento y sus anexos según lo determina el título 3 de la sección 1. Por otra parte la DNC es el encargado de programar la operación del sistema a los efectos de lograr las garantías de suministro, optimización de los recursos de generación y lograr los menores costos operativos posibles.

El MMEE define al Generador como aquel agente que siendo auto productor vende al MMEE un porcentaje mayor al 50% de su energía generada. De acuerdo al artículo Nº 55, referido a los requisitos generales para ser considerado auto productor, se define que son aquellos agentes que cuentan con una potencia ins-

6 MMEE: Mercado Mayorista de Energía Eléctrica7 ADME: Administración del Mercado Eléctrico8 SIN: Sistema Interconectado Nacional9 DNC: Despacho Nacional de Carga

15

talada de generación superior a los 500 KVA, que consume toda o parte de la energía que produce y cuya energía anual generada vendida al MMEE supera el 50% de su generación anual.

Por otra parte se define como Grandes Consumidores a aquellas empresas que tengan potencias contratadas no menores a 5 MW.

El ingreso de una nueva generación conectada al Sistema Eléctrico debe ser autorizado por el Poder Ejecutivo.

El comercializador, de acuerdo al Reglamento, tiene tres opciones para vender o comprar la energía eléctrica:

• Mercado de contratos a término• Licitación• Mercado Spot

Convocatorias para generación eléctrica proveniente del sector privado

Para que un generador privado pueda instalarse, se deberá obtener la autori-zación del Poder Ejecutivo cumpliendo los requerimientos de los artículos N° 53 y 54 del Reglamento del MMEE (Decreto N° 360/002), y de su Decreto modifi-cativo Nº 72/010.

El Decreto N° 77/006, complementado con los Decretos N° 397/007, 296/008 y 299/008, fueron las herramientas utilizadas para realizar las convocatorias por parte de UTE para contratar 60 MW de potencia de fuentes renovables no convencionales.

En la actualidad, el Decreto N° 367/010 y su posterior modificación del 5 de Agosto de 2011 encomienda a la empresa estatal de energía eléctrica-UTE10- la celebración de contratos especiales de compraventa de energía eléctrica a partir de biomasa. El procedimiento asociado para efectivizar la adhesión a esta mo-dalidad fue recogido a través de las convocatorias de UTE en sus documentos K42158 (Potencia menor a 20 MW) y K42433 (Potencia mayor a 20 MW y menor a 60 MW), la cual se mantendrá abierta hasta el 31 de diciembre de 2011.

Mecanismo de Desarrollo Limpio

Uruguay ratificó la incorporación del país al Protocolo de Kyoto en la Ley N° 17.279 correspondiente al año 2001. En dicha ratificación se incorpora la par-ticipación de Uruguay en proyectos de reducción de los niveles de gases de efecto invernadero.

El proyecto podrá recibir beneficios por la suscripción del país a este protoco-lo. Se estima la comercialización de 48.000 tCO2/año.

10 UTE: Administración Nacional de Usinas y Transmisiones Eléctricas


DESARROLLO DEL pROyECTO

Mercado proveedor de materia prima

Se define como residuos forestales de campo a aquellas partes del árbol que no son utilizadas como producto principal, sino que es un subproducto, principal-mente obtenidos a partir de los procesos de releo, poda o cosecha.

Según la DNETN11, entre un 10 y un 15% de la producción de madera queda en el campo como subproducto. Dentro de ese porcentaje, un 15 a 20%12 del total de los residuos en campo debe ser dejado en el lugar de recolección a los efectos de conservar los nutrientes en el suelo; principalmente el subproducto es follaje y corteza.

Para la estimación de la potencia se toma como hipótesis:• Una humedad del 40% en los residuos, lo que implica un poder calorífico

de 2.200 kcal/kg• Densidad de 952 kg/m3 para la especie Eucalyptus Globulus destinado

a pulpa, Eucalyptus Grandis para aserríos de 718 kg/m3 y madera de Pino con densidad de 635 kg/m3 para ambas finalidades

• Un rendimiento de la planta de generación del 26%• Un aprovechamiento de los residuos con fines energéticos del 100%• Un factor de utilización de la planta de generación de energía eléctrica

del 75%

Tabla 1.2- Máxima potencia Nacional posible de ser generada (en MW) en base a residuos provenientes de campo. De acuerdo con informe: “Evaluación de la dispo-nibilidad de residuos o subproductos de biomasa a nivel Nacional”, MIEM, 2010.

Año Total desechos de campo para aserrío

Total desechos de campo para pulpa Total general

2008 28 89 117

2009 24 76 100

2010 22 66 88

2011 30 78 108

2012 23 64 87

2013 23 76 99

2014 18 78 96

2015 21 102 123

11 DNETN: Dirección Nacional Energía y Tecnología Nuclear12 Este valor dependerá de un estudio más detallado de las características del suelo y del cultivo

17

Año Total desechos de campo para aserrío

Total desechos de campo para pulpa Total general

2016 23 107 130

2017 25 120 145

2018 20 111 131

2019 17 78 95

2020 19 67 86

Localización

Para la determinación de la localización del emprendimiento se define utilizar una matriz cuantitativa de acuerdo a la valorización de tres variables consideradas claves para la factibilidad del proyecto: disponibilidad de materia prima, acceso al tendido eléctrico en media tensión y el acceso a carreteras, rutas y vías férreas.

Para realizar el análisis se divide la totalidad del territorio Nacional en cinco regiones agrupadas en función de la cercanía de los Departamentos.

Cada región es valorada con un puntaje de 0 a 3 en cada uno de los atributos anteriormente mencionados. En caso de que alguna región sea puntuada en algu-no de esos atributos con un valor menor a 2 será excluida del posterior análisis de microlocalización.

Tabla 1.3- Resultado sobre análisis de Macrolocalización de las regiones consideradas.

Cuadro comparativo de las distintas regiones para macrolocalización

Disponibilidade de biomassa

Acesso à rede elétrica

Acesso à infraestrutura

viáriaTOTAL

Região 1: Montevidéu, Canelones, Maldonado,

Rocha, Colônia, San José0 3 3 6

Região 2: Treinta y Tres, Cerro Largo e Lavalleja

2 2 3 7

Região 3: Rivera, Artigas e Tacuarembó

3 2 3 8

Região 4: Salto, Paysandú, Río Negro e Soriano 1 3 3 7

Região 5: Flores, Florida e Durazno

1 2 3 6


Para la determinación de la localidad dentro de la región seleccionada ante-riormente, se adopta que toda aquella ciudad comprendida en esta región y que se encuentre en un radio mayor a 90 Km de recolección para el total de materia prima necesaria para el proyecto será excluida del análisis. Por otra parte, toda aquella localidad que esté lejana al tendido eléctrico también será excluida debi-do al alto costo de extensión de la línea eléctrica. La localidad deberá tener fácil acceso a rutas y caminos dado el alto costo de generación de infraestructura vial para la entrada y salida de camiones destinados al transporte de la materia prima.

Las variables utilizadas en el estudio de microlocalización y su correspondien-te ponderación son las siguientes:

• Disponibilidad de materia prima: 30%• Acceso a tendido eléctrico: 20%• Fuente de agua fría y agua potable: 20%• Acceso a infraestructura vial: 15%• Mano de Obra: 10%• Cercanía a zona urbana y servicios: 5%

Las localidades pre-seleccionadas son:• Masoller: Departamento de Rivera• Tranqueras: Departamento de Rivera• Laureles: Departamento de Tacuarembó• Artigas: Departamento de Artigas

Tabla 1.4- Resultado sobre análisis de Microlocalización de las localidades con-sideradas.

Cuadro comparativo para microlocalización

Factores Masoller Tranqueras Laureles Artigas

Disponibilidad de materia prima 2 3 1 0

Acceso a tendido eléctrico 2 3 3 3

Fuente de agua fría y agua potable 2 2 1 1

Acceso a infraestructura vial 3 3 3 3

Mano de Obra 1 3 1 3

Cercanía a zona urbana 2 3 1 3

Total ponderado 2,1 2,8 1,7 1,7

Luego del estudio realizado, se define que el emprendimiento será localizado en la cercanía a la ciudad de Tranqueras en el departamento de Rivera.

19

Layout de planta y principales obras civiles

Figura 1.1 - Layout de planta.

Las principales obras civiles del emprendimiento son:• Depósito a cielo abierto: 60 x 100 m - Losa de hormigón de 15 cm

de espesor• Depósito cerrado: 20 x 30 x 20 m - Chapa galvanizada, pared interior

de bloques (10 m)• Silo horizontal: 20 x 15 x 15 m - Estructura metálica• Sala de turbina: 35 x 15 x 15 m - Estructura de hormigón pretensado • Caminera : 10 m de ancho para zona de camiones (circulación en doble

sentido)• Tajamar: 100 x 3 m: 16.000 m3

Ingeniería de proceso

Materia prima

Para la estimación de la demanda de materia prima se toman las siguientes hipótesis:

• Se utilizarán residuos de campo provenientes del raleo y poda de Eucaliptus y Pino

• Humedad de biomasa cercana al 50 %


• Poder calorífico inferior del orden de 2.100 kcal/kg en base húmeda• Eficiencia teórica de la central de 30,5 %• Generación de energía eléctrica de 12 MWh• Generación de 12 MWh durante el 100 % del tiempo

Se decide estimar la demanda de biomasa en el escenario de hipótesis máxima dado que en la práctica la planta no podrá estar operando al 100 % anual debido a paradas de mantenimiento.

Para el cálculo de estimación de biomasa se utilizará la siguiente ecuación:A modo de visualizar la magnitud de hectáreas necesarias para la recolección

se toman los siguientes supuestos:• 1 ha equivale a 20 m3 de madera forestada• La densidad de la biomasa es aproximadamente 0,8 Ton/m3 (se

considera madera verde y por lo tanto no coincide su densidad con la considerada para el resto de los cálculos)

• Entre el 10 y 15% de la madera forestada quedará en el campo. A su vez se deberá dejar un 20% de ese valor para conservar los nutrientes de la tierra.

Las hectáreas necesarias para el emprendimiento anualmente se calculan a partir de la siguiente ecuación:

21

Para estimar el caudal másico necesario para alimentar el generador de vapor se realiza el siguiente cálculo:

Este valor hallado significará un caudal másico de 15,8 t/h.

Disposición de la materia prima

Se prevé un ingreso al predio de 25 camiones diarios, recibidos en dos turnos de ocho horas.

Previo a la descarga del camión, éste pasará por la balanza y se analizará una muestra del producto. Una vez efectuada la descarga del camión este volverá a pasar por la balanza antes del retiro de la planta. El flujo de la materia prima, una vez ingresada al predio, será desde el camión hacia el depósito a cielo abierto o di-rectamente en la tolva ubicada en el depósito cerrado (dependiendo del análisis de la muestra). En caso del depósito abierto, la materia prima se apilará en montañas y luego será acondicionada mediante un tractor con pala. La capacidad del depósi-to a cielo abierto será de 30 días, es decir que se estima un acopio aproximado de material de 11.400 toneladas equivalentes a 32.000 m3. A su vez se debe estable-cer un margen adicional de superficie para la operación de los equipos y personal.

Del depósito a cielo abierto la materia prima se trasladará con el tractor con pala al depósito cerrado que tendrá una capacidad de stock de 5 días. En este depó-sito el acopio será de aproximadamente 2.000 toneladas equivalentes a 5.700 m3.

Por otra parte se contará con un stock de materia prima en un silo horizontal. Este silo tiene como finalidad lograr una mezcla de chips con humedad adecuada para abastecer la caldera pudiendo ser alimentado con chips del depósito cerra-do, depósito abierto y chips recién ingresados a la planta. Se estima una capaci-dad de acopio de 4 días lo que significa aproximadamente 1.500 toneladas y un volumen de 4.200 m3.

El silo horizontal contará con una cinta transportadora, la cual llevará la ma-teria prima hacia la tolva de alimentación de la caldera, la cual es diseñada para alimentar durante 30 minutos la caldera a plena carga.

Se instalará una máquina chipeadora cercana al depósito abierto para que, en caso de ser necesario, se realice el chipeado de la materia prima en la planta. En este caso los chips serán transportados mediante una cinta transportadora al depósito cerrado.


Descripción del ciclo de trabajo

El proceso de generación de energía se origina con la obtención de la materia prima proveniente de bosques ubicados en un radio no mayor a 90 Km de la zona de localización del emprendimiento.

Debido a que se utilizará el 100% de la biomasa proveniente de residuos de campo, previo a su traslado a la planta se deberá generar un proceso de chipeado y compactado que se realizará “in situ”. Una vez que la materia prima esté apta para su transporte, se colocará en camiones para su traslado a la planta. Una vez determinada la humedad y en función de los niveles de stock del momento, se definirá la disposición del residuo forestal. El mismo puede ser almacenado a cielo abierto, en un depósito cerrado o directamente en el silo.

Figura 1.2 - Ciclo de generación.

Se utilizará un generador de vapor acuo-tubular, con quema directa, con pre-sión de trabajo de 45 bar y una temperatura de 480°C. Una fracción de vapor a 7 bar es direccionada a un intercambiador abierto a presión de 1,4 bar para pre-calentar el agua que ingresará a la caldera, logrando una temperatura de 110°C. La restante fracción de vapor se dirige a la segunda etapa de la turbina para continuar su expansión, para luego finalizar en el condensador.

El vapor en la turbina genera energía mecánica que luego a partir de un gene-rador acoplado la transformará en energía eléctrica. Esta energía será inyectada a la red de UTE por medio de un trasformador que elevará su voltaje de 6,3 KV a 31,5 KV.

La fuente fría que se utiliza para el proceso será agua tratada obtenida de un sistema de pozos semisurgentes. Debido a que el agua obtenida directamente del pozo no cuenta con las características apropiadas para el ingreso al ciclo, se deberá tratar en una planta de tratamiento de agua.

23

Evaluación de Impacto Ambiental (EIA)

Se identifican los posibles impactos ambientales producidos por el efecto del estudio, construcción, operación y abandono del proyecto. Es importante mencio-nar que el alcance del estudio abarca no sólo el predio donde se ubicará la planta de generación, sino también los predios donde se realizará la recolección del resi-duo forestal, al igual que los caminos que comunican ambas regiones.

Se segmenta el estudio en las distintas etapas que constituyen el proyecto• Elaboración del Proyecto • Construcción• Operación• Abandono

Modelo utilizado para el EIA

El procedimiento de EIA escogido se basa en el Modelo de Matriz Acción-Efecto de Leopold. Se utilizan métodos cualitativos a los efectos de evaluar los impactos generados durante las etapas del proyecto en el ecosistema. Por otra parte se realiza un análisis cuantitativo para determinar aquellos elementos que se deberán observar con mayor detenimiento.

Los parámetros evaluados en el análisis cuantitativo son: Signo, Intensidad, Extensión, Plazo de manifestación, Persistencia/Duración y Reversibilidad.

La ecuación a utilizar para la ponderación del impacto (Im) que vincula las diferentes variables está dada por la siguiente relación:

Im= S x(3xI+2xE+M+D+R)

A efectos de disponer de valores que resulten más fáciles de comparar, convie-ne usar el valor de la Importancia del Impacto normalizado (Imn), que linealiza el valor entre -10 y + 10.

Probabilidad de ocurrencia del Impacto

Se llama probabilidad de ocurrencia (P) a la probabilidad de que ocurra cierto impacto a raíz de una determinada acción. Se define cuantificarlo con valores en-tre 0 y 1, siendo 1 el valor que determina la certeza de la ocurrencia y 0 el valor que indica una probabilidad de ocurrencia nula.

Se define como Importancia absoluta normalizada del Impacto (Imnp):

Imnp= Imn x P

Posterior a la cuantificación de los impactos, los mismos se clasifican en fun-ción del valor Imnp:


Tabla 1.5- Cuantificación de los Imnp según su magnitud.

Valor de Imnp Clasificación del impacto

Imnp > -3,5 Aceptable

-7,0<Imnp<-3,5 Crítico

Imnp<-7,0 Inaceptable

Para aquellos valores que se clasifican como “Inaceptable” se desarrolla un plan de acción, el cual contiene diversas acciones con el fin de disminuir su grado de impacto. Para los valores clasificados como “críticos”, se desarrolla una serie de medidas para controlar estos impactos, evitando así que migren de “Crítico” a “Inaceptable”. A aquellos impactos que han sido clasificados como “Aceptable” se les prestará especial atención para mantenerlos dentro de su categoría.

EVALUACIÓN ECONÓMICA FINANCIERA

4 p de Marketing

La herramienta que se utiliza para definir la estrategia comercial del proyecto se denomina las “4 P de Marketing”:

• Plaza • Producto• Promoción• Precio

Plaza

Se decide generar un contrato fijo con UTE y un porcentaje de la generación será comercializado en Mercado Spot.

Producto

Se proyecta la firma de un contrato con UTE por un plazo de 20 años, de acuerdo al Decreto firmado por Presidencia de la República en diciembre de 2010. En el caso de este proyecto se establece la venta de 10MWh de energía en forma de generadores auto-despachantes.

25

Debido a que la planta tendrá una capacidad instalada de 12MWh y que el contrato será únicamente por 10MWh se destinarán los restantes 2MWh a la venta en Mercado Spot en caso de que el mismo presente valores de precios aceptables para el proyecto (por encima de 110 USD/MWh). Si el Mercado Spot presenta valores por debajo de este precio, se destinará la energía para auto-consumo (1,5MWh).

Promoción

La promoción es restringida a la obtención de la licitación por parte de UTE, la certificación del proyecto MDL y eventualmente a establecer un entorno de operación amigable con la sociedad, Entes Reguladores, proveedores de materia prima, entre otros.

Precio

El precio establecido por licitación en la modalidad de venta no sujeta a des-pacho es de 110 USD/MWh siempre y cuando se esté inyectando energía a la red antes del 31 de diciembre de 2014.

Para proyectar el precio del Mercado Spot, se ha realizado un análisis de los precios que ofreció el mismo en los últimos tres años y se establece la con-veniencia para ingresar siempre que el precio esté por encima de los 110 USD/MWh. En el período considerado a partir de este valor, la planta hubiese operado en promedio 230 días en el año a un precio promedio superior a los 200 USD/MWh. Si bien 2011 sólo cuenta con valores del Mercado hasta junio, se proyecta el segundo semestre con igual comportamiento al primero. De todas formas para estimar los ingresos por venta en Mercado Spot se ha optado por considerar un escenario conservador en el cual sólo se operará 150 días al año a un precio promedio de 150 USD/MWh. Esta definición se debe a que es difícil estimar el comportamiento de este mercado para los próximos 10 años por falta de informa-ción y modificaciones en el contexto de operación del mercado (precipitaciones, ampliación de potencia instalada, entre otros).


Referencia de colores:

Precios superiores a los 110 USD/MwhPrecios entre 100 USD/Mwh y 110 USD/MwhPrecios por debajo a los 100 USD/Mwh

Figura 1.3- Simulación de días de ingreso al Mercado Spot. De acuerdo con datos de: www.adme.com.uy, visitada el 04/07/2011.

Estructura organizacional

El emprendimiento empleará a 25 trabajadores en forma directa.

Organigrama de la empresa

27

Inversiones

El monto de la inversión requerida se expone en el siguiente cuadro:

Tabla 1.6- Resumen de inversión requerida para el proyecto.

Activos tangiblesInversión Costo total (USD)Terreno 100.000

Obra Civil 2.587.686

Equipamiento 14.126.761

Otros 16.880

16.831.327Activos Intangibles

2.065.761

Capital de trabajo 1.213.988

INVERSION TOTAL 20.111.076

Estimación de costos

Costos de producciónTabla 1.7- Resumen de costos de producción (anual).

Costos de Producción Costos Variables (U$D)

Mano de obra directa 158.684

Contribución inmobiliaria 0

Depreciación de activos fijos 1.545.436

Mantenimiento 84.157

Insumos: Energía, Gas oíl, consumo de agua y tratamiento de agua 1.230.049

Materia Prima para cumplir con contrato de UTE 3.954.614

Materia Prima para Mercado Spot 325.037

TOTAL 7.297.977


Costos de administraciónTabla 1.8- Resumen de costos administrativos (anual).

Rubro Costo anual (USD)Mano de Obra indirecta 224.946

Mano de Obra administrativa 298.570

Insumos: Teléfono, ADLS, papelería 15.514

Depreciación de equipos y mobiliario 3.376

Depreciación de activos intangibles 413.152

TOTAL 954.430

Costos financierosTabla 1.9- Costos financieros del proyecto (anual).

Impuesto al patrimonio (1,5%) Costo (USD)Costo fiscal Per se 208.098

Costo fiscal del lado del inversionista 229.288

Ingresos anuales por ventas

Cantidad (MW/año) Ingreso (MWh) Ingreso anual (USD)

Ingreso por venta por contrato

78.840 110 8.672.400

Cantidad (MW/año) Precio (USD/MWh) Ingreso anual (USD)

Ingreso por venta en Mercado Spot

6.480 150 972.000

Cantidad (Ton CO2/año) Ingreso (USD/Ton CO2)Ingreso anual

(USD)Ingreso por venta de bonos verdes

48.000 15 737.640

Evaluación del proyecto

El proyecto se financiará a través de fondos de capital propio en un 40 % del total de la inversión incluyendo el capital de trabajo, mientras que el restante 60% se financiará con un préstamo.

La tasa de la inversión privada fue considerada en un 12 % mientras que la tasa bancaria fue considerada en un 8 %.

29

Tabla 1.10- Tasa de interés del capital mixto.

Financiamiento mixto

USD TasaCosto de oportunidad del inversionista (ke) 8.044.430 12%

Préstamo (kd) 12.066.646 8%

Tasa de descuento 10%

Los beneficios obtenidos del proyecto se encuentran resumidos en la siguien-te tabla:

Tabla 1.11- Resultado de VAN y TIR para el flujo de caja del inversionista.

VAN USD 3.569.140

TIR 18 %

Tasa de descuento ponderada 10 %

Tasa de Interés 8 %

nº de pagos 9

Préstamo= 60 %

CONCLUSIONES

La demanda de energía aumenta año a año a una tasa elevada, por lo que se deberán generar políticas y acciones a nivel mundial y nacional para satisfacer dicha demanda.

Las energías renovables sustentables y naturales aparecen como posible solu-ción para enfrentar la problemática a nivel energético, generando mayor indepen-dencia del petróleo y contribuyendo a reducir el efecto invernadero.

En Uruguay se observa un apoyo importante por parte de la actual administra-ción pública para llevar a cabo una diversificación en la matriz energética, basa-do en un fuerte respaldo al desarrollo de proyectos que impliquen la utilización de fuentes de energía renovables acompañado con un plan estratégico a largo plazo y de consenso nacional. Los objetivos y metas energéticas a corto plazo se han ido cumpliendo y se observa una buena proyección a futuro. En la última década se concretaron proyectos que permiten al Uruguay ampliar su capacidad de potencia instalada en base a energías renovables.

Existe un marco normativo claro en materia de compra venta de energía pro-ducida por actores privados por parte de UTE, con trámites transparentes y ágiles.

Por otra parte, en el ámbito académico se está trabajando en investigación y desarrollo en temas energéticos con el apoyo de profesionales capacitados.


Es importante resaltar la innovación a la que apunta este proyecto al basar su generación de energía por medio de residuos forestales de bajo costo y que de no ser aprovechados como recurso energético no tendrían un valor de mercado.

BIBLIOGRAFíA

MIEM - “Reglamento del mercado Mayorista de Energía Eléctrica”, 2008.

DERES “Responsabilidad, Eficiencia y Sustentabilidad - Un desafío a enfrentar con energía”, Julio 2008.

CARBOSUR “Proyecto MDL Energía Renovable Tacuarembó – proyecto de generación de energía eléctrica (10MW) a partir de biomasa” Noviembre de 2008.

FAROPPA CARLOS “Consultoría de apoyo al Componente: Fortalecimiento de la estrategia Nacional Energética 2030”, “Evaluación de la disponibilidad de residuos o subproductos de biomasa a nivel nacional”, Setiembre 2010.

MIEM-DNETN “Energías Alternativas”, 2008.

MARTINEZ-AGAZZI-BONOMI-RUBIO “Gabinete Productivo, Cadena de Valor (I), 2008.

UDELAR “Introducción a la regulación del Sector Eléctrico”, 2010.

FOCER- Fortalecimiento de la Capacidad en Energía Renovable para América Central “Manual sobre Energía Renovable- BIOMASA”, BUNCA, Costa Rica, 2002.

OLADE “ENERLAC-Revista de Energía - América latina y Caribe”, 2010.

MIEM “Política Energética 2005-2030”, 2008.

Decretos N° 77-006; 397-007; 296-008, 354-009, 377-009, 367-010 y su modificación en 2011 y 403-009 - Decretos que promueven la compra de energía eléctrica a partir de fuentes renovables.

Decreto N° 299-008 - Contratos especiales de compraventa de energía eléctrica con proveedores.

<<<

31

>>> MEDIDAS DE SUSTITUCIÓN EFICIENTE DE FUENTES DE ENERGíA EN LA REpÚBLICA DEL pARAGUAy

Estela María Riveros Rodas, Segundo Javier Amatte Mereles

RESUMEN

La presente monografía expone una investigación referente a “medidas de sustitución eficiente de fuentes de energía en la República del Paraguay”. El tra-bajo tuvo por objetivo identificar los delineamientos fundamentales para alcanzar una disminución en el consumo de leña y diesel, y un aumento en la penetración de la electricidad en la matriz energética de República del Paraguay, mediante el análisis de prospectiva energética.

Para tal efecto se ha utilizado el software LEAP© (Long-range Energy Alter-natives Planning System) para la elaboración de un modelo energético integral del Paraguay y el análisis de una prospectiva energética, teniendo en cuenta di-versos escenarios: un escenario tendencial, donde no se aplican los cambios, y escenarios deseados, donde las principales medidas se aplican en los diferentes componentes del sector energético.

Las medidas de planificación actuaron sobre la intensidad energética y sobre la participación que tuvo cada fuente de energía en algunos sectores mediante la implementación de medidas de eficiencia energética. Las medidas que fueron se-leccionadas para ser implementadas son: “sustitución de las cocinas tradicionales basadas en biomasa por cocinas más eficientes en el sector residencial rural”, “incorporación del tren diesel” e “incorporación del tren eléctrico”.

PALABRAS CLAVES: Energía, Sustitución, Eficiencia.

ABSTRACT

This work exposes a research about “measures of efficient substitution of en-ergy sources the Republic of Paraguay”, the objective of the work was to identify the fundamental outlines in order to achieve a reduction of the Wood and diesel consumption, as well as an increment of the electricity penetration into the energy matrix of the Republic of Paraguay, by means of a prospective energy analysis.

The software LEAP© (Long-range Energy Alternatives Planning System) has been used for developing a comprehensive and integral energy model of Paraguay

GR

AD

O


as well as to perform prospective analysis of energy, by taking into account sever-al scenarios: a baseline scenario, where no changes are applied, and alternatives scenarios, where key structural changes within the energy sector are analyzed.

Planning measures were applied on the energy intensity and the share that had each energy source in some economic sectors by implementing energy efficiency measures. The measures selected to be implemented are: “replacement of the tra-ditional stoves based on biomass for efficient stoves in rural residential sector”, “incorporation of a diesel train” and “incorporation of an electric train” in the transport sector.

KEY WORDS: Energy, Substitution, Efficiency.

INTRODUCCIÓN

El tema abordado en la presente monografía es “medidas de sustitución efi-ciente de fuentes de energía en la República del Paraguay”. El trabajo tuvo por objetivo identificar los delineamientos fundamentales para alcanzar una disminu-ción en el consumo de leña y diesel, y un aumento en la penetración de la electri-cidad en la matriz energética de República del Paraguay, mediante el análisis de prospectiva energética.

El Paraguay posee una característica particular que lo diferencia de los demás países en desarrollo, esa característica es la relación que existe entre la capacidad energética basada en energía hidroeléctrica y el consumo final de electricidad.

En la matriz energética del 2008 elaborada por el VMME se establece que de la energía generada por los recursos de nuestro país el 58% es de origen hi-droeléctrico, Sin embargo, apenas el 14% de la energía consumida es hidroeléc-trica. El 53% es biomasa, en su mayoría, producids de manera no renovable. El restante 33% representn los derivados del petróleo.

En dicho contexto, esta estructura y composición de la matriz energética no puede ser considerada sustentable. Según estudios del Viceministerio de Minas y Energía (VMME), en base a la Metodología OLADE, el grado de sustentabilidad del sistema energético muestra debilidades específicas en los indicadores econó-micos (productividad) y de equidad (cobertura de necesidades básicas).

Ante esa realidad surge la elección del tema de investigación que busca dar respuesta a la siguiente pregunta ¿Cuáles son las medidas, programas o pautas necesarias para lograr alcanzar una matriz energética sustentable en el 2030?

33

CONTExTO: EVOLUCIÓN DEL CONSUMO DE ENERGíA EN EL pARAGUAy

El Paraguay históricamente se ha caracterizado por el consumo primario de la biomasa con fines energéticos y por la importación de hidrocarburos para abas-tecer su demanda de energía.

La electrificación del país, a cargo exclusivamente de la ANDE, fue iniciada en los años 1970. Por entonces, el esfuerzo se concentraba mayormente en la electrificación de las zonas urbanas y la mayor parte de la energía eléctrica gene-rada provenía todavía de centrales térmicas, basadas en combustibles petrolíferos importados en su totalidad. Durante esta fase, la expansión siguió un ritmo de 9 % por año en el número de usuarios para llegar en el año 1990 a una cantidad de alrededor de 40,.419 usuarios, cuando el número era de apenas 10,.563 en el año 1975. En lo que se refiere al índice de cobertura del servicio de electricidad, esta expansión se tradujo en un incremento desde niveles del orden del 16%, a inicios de los 70, hasta alcanzar un nivel de aproximadamente 50% a fines de los 80 e inicios de los 90.1

La construcción de las centrales hidroeléctricas de Acaray, Itaipú y luego de Yacyretá, y paralelamente de la red de transmisión hacia los centros urbanos más importantes en el transcurso de los años 1980 y 1990, permitió disponer de la infraestructura y cantidades de energía necesarias para impulsar la electrifica-ción rural. En dicho contexto, recién al inicio de los años 1990 comenzó la fase de la electrificación predominantemente rural a base de la expansión de líneas principalmente de media tensión. El consumo de energía eléctrica en un período de más de 25 años se incrementó en el orden del 1000%, de 500 GWh en 1970 a 5000 GWh al año en 1997.2

Como se ha mencionado anteriormente, los grandes proyectos hidroeléctri-cos implementados en la década de los años 70 marcaron la evolución de la Oferta Interna Bruta de energía en el Paraguay. La Oferta Interna Bruta de hidroenergía en el año 2006 resultó aproximadamente 355 veces la registrada en el año 1970.3

1 PULFER, Jean-Claude. Diagnóstico del sector energético en el área rural de Paraguay. Proyecto electrificación rural.2 PULFER, Jean-Claude. Diagnóstico del sector energético en el área rural de Paraguay. Proyecto electrificación rural.3 ROLÓN, Juan Carlos. Situación de la Matriz Energética en Paraguay. Soluciones para el desarrollo sostenible, Recomendaciones.


Fig.1. (a) Evolución de la oferta interna bruta de energía del Paraguay y (b) del consumo final de energía del Paraguay.

Fuente: Viceministerio de Minas y Energías

Sin embargo, el consumo final de la energía eléctrica no acompañó la evolu-ción de la oferta interna bruta de hidroenergía, ya que el consumo de electricidad en el año 2006 fue sólo 28 veces el registrado en 1970.4

A través de los gráficos de arriba se puede observar que existe un claro “des-equilibrio” energético a favor de la biomasa, ya que, como antes, sigue teniendo un papel preponderante dentro de la matriz energética del Paraguay, a pesar de ser una fuente de energía de baja eficiencia en comparación con la electricidad.

Además en la matriz energética del 2008 elaborada por el VMME se establece que, de la energía generada por los recursos naturales de nuestro país, el 58% es de origen hidroeléctric . Sin embargo, apenas el 14% de la energía consumida es hidroeléctrica. Siendo el 53% biomasa, en su mayoría, explotada de manera no renovable. El restante 33% representn los derivados del petróleo

Por lo tanto, se puede observar que una característica particular, que dife-rencia al Paraguay de los demás países en desarrollo, es la relación que existe entre la capacidad energética basada en hidroelectricidad y el consumo final de electricidad.

En dicho contexto, esa estructura y composición de la matriz energética no puede ser considerada sustentable, según estudios del Viceministerio de Minas y Energía (VMME), realizados en base a la Metodología OLADE,een los cuales el grado de sustentabilidad del sistema energético paraguayo muestra debilidades específicas en los indicadores económicos (productividad) y de equidad (cobertura de necesidades básicas).

4 ROLÓN, Juan Carlos. Situación de la Matriz Energética en Paraguay. Soluciones para el desarrollo sostenible, Recomendaciones.

(a) (b)

35

METODOLOGIA

Este trabajo de investigación requirió un estudio Experimental-Descriptivo. Se utilizó el software LEAP© (Long-range Energy Alternatives Planning System, o Sistema de Planificación de Alternativas Energéticas de Largo Plazo).

A lo largo de la investigación, se han recopilado datos existentes en las dife-rentes instituciones públicas y privadas relacionadas tanto al consumo como a la oferta de las diferentes fuentes de energía utilizadas en el Paraguay.

Para el buen desarrollo del trabajo, se ha recurrido a las siguientes revisiones: fuentes primarias, secundarias, electrónicas e informáticas.

El universo estudiado estuvo compuesto por: el Vice Ministerio de Minas y Energías (VMME), porque es el único órgano estatal que tiene competencias en materia de todos los sectores energéticos. Asimismo, fueron recopilados datos de la Administración Nacional de Electricidad (ANDE), la cual es el ente estatal encargado del subsector eléctrico y desarrolla actividades de generación, trans-misión y distribución de energía eléctrica, contando con datos detallados de los diferentes sectores de consumo de energía eléctrica. Posteriormente, la Dirección Nacional del Transporte (DINATRAN), otorgó datos estadísticos, com: el reco-rrido de los ómnibus y la cantidad de los mismos. Por su parte, la Dirección del Registro del Automoto, proporcionó datos referentes a la cantidad de vehículos registrados en el país por año. De la Dirección General de Estadísticas, Encues-tas y Censo (DGEEC) fueron relevados datos estadísticos y estudios a partir de documentaciones referidas a la Encuesta Permanente de Hogares, el Censo del 2002, el Censo Económico, etc. Para la obtención de información, se tomaron los criterios de inclusión de los entes citados más arriba.

Para el procedimiento de recolección, se utilizó el método de observación y las entrevistas a los entes citados más arriba.

Los resultados de ls información que se hn recaudado del VMME, ANDE, DINATRAN, la Dirección del Registro del Automotor, la DGEEC, entre otros, sirvieron de insumo para la elaboración del modelo energético integral y el pos-terior análisis de prospectiva energética, que han permitido el delineamiento de estrategias o medidas de sustitución eficiente de fuentes de energía.

El examen de cada variable se realizó en forma individual. Tanto la tabulación como el análisis de los datos obtenidos se realizó aplicando los recursos del soft-ware Microsoft Excel© (versión 2010), apoyados en la estadística descriptiva y aplicación de medidas de frecuencia, tendencia y dispersión.

presentación del software utilizado

El software utilizado para el análisis de los diferentes escenarios y cuyos re-sultados han llevado a definir las medidas de sustitución de energía más apro-


piadas a implementar en el Paraguay es el LEAP©, con la capacidad de brindar un soporte integrado y confiable, para el desarrollo de estudios de planeamiento energético integral y de mitigación de gases de efecto invernadero (GEI)5.

El LEAP© es una herramienta que sirve para modelar escenarios energéticos y ambientales. Dada su flexible estructura de datos, el software permite realizar profundos análisis en especificación tecnológica y detalles de consumo final6.

Utilizado actualmente por más de 1,.000 usuarios distribuidos en 196 países el LEAP© fue desarrollado por el Stockholm Environment Institute (SEI-US), y la primera versión data de 1980. A fines de los ´90, el modelo fue actuali-zado, incorporando una serie de herramientas de planificación energética. Esta actualización fue realizada por el SEI-US, y numerosas instituciones académicas internacionales7.

Elaboración del modelo energético integral en LEAp©

En dicho contexto, se ha elaborado en el entorno LEAP© un modelo energé-tico integral del Paraguay. Los escenarios fueron basados en balances integrales sobre la forma en que se consume, transforma y produce energía en el país, según una gama de premisas básicas de población, desarrollo económico, tecnología, precios, y otras características.

Fuente de datos

Los datos utilizados para la elaboración del modelo energético integral del Paraguay fueron obtenidos de las instituciones citadas en la metodología. Las principales fuentes de los datos fueron: la Compilación Estadística 1983 al 2006 de la ANDE, los Balances Energéticos del Paraguay 1970 al 2009 del VMME, el Informe Económico 2010 al 2011 y datos del PIB 1970 al 2009 del BCP, el Estudio de Demanda: Paraguay, Aplicación Del Modelo MAED-OIEA, proyecto RLA/0/040 del VMME, el Anuario Estadístico del Paraguay 2000 al 2009 de la DGEEC, la Encuesta Permanente de Hogares 2004 al 2009 de la DGEEC, Trípticos de los Resultados Finales del Censo Nacional de Población y Viviendas 2002 de la DGEEC y del Anuario Estadístico de Transporte 2006, 2007 y 2009 de la DINATRAN entre otros.

Estructura

En el modelo energético, la estructura de la rama de demanda de energía fue dividida en los sectores de consumo de energía expuestos en la Fig. 2. Asimismo,

5 Del manual del LEAP© en español.6 Del manual del LEAP© en español.7 Disponible en: http://www.energycommunity.org/.

37

la estructura de la rama de transformación de energía puede observarse en la misma figura.

Fig. 2. (a) Estructura de la rama de demanda de energía y (b) estructura de la rama de transformación de energía.

Fuente: elaboración propia (interfaz gráfica del software LEAP©).

Asimismo, los recursos primarios y secundarios que fueron necesarios para abastecer la demanda y la exportación de energía son mostrados en la Fig.3.

Fig. 3. Estructura de la rama de recursos primarios y secundarios. Fuente: elaboración propia (interfaz gráfica del software LEAP©).

(a) (b)


Validación del modelo

Es importante destacar que el modelo energético integral en LEAP© del Pa-raguay, desarrollado en este trabajo, reprodujo con exactitud los datos del ba-lance energético de la República del Paraguay obtenidos del VMME, validando así los resultados obtenidos, permitiéndonos proceder al análisis de prospectiva energética.

Análisis de prospectiva energética

La prospectiva del sector energético ha sido desarrollada teniendo en cuenta diversos escenarios,oa saber: un escenario tendencial, donde no se aplicaron cam-bios estructurales mayores al sector energético, y escenarios alternativos, donde las principales medidas se aplicaron en los diferentes componentes del sector de la energía. Buscando que este análisis proporcione una herramienta para facilitar la planificación y análisis del sector energético de acuerdo a las políticasnconsi-deradas por los planificadores y tomadores de decisiones.

Las medidas de planificación actuaron sobre la intensidad energética y sobre la participación que tuvo cada fuente de energía en algunos sectores, mediante la implementación de medidas de eficiencia energética.

Se ha tomado como año base de estudio el año 2004, dado que para dicho año se ha obtenido la mayor cantidad de datos necesarios para la aplicación del LEAP©. Además, el año 2004 no presentó variaciones atípicas que pudieran catalogarlo como un año con comportamientos extremos, como sí lo son años más recientes.

A partir del modelo desarrollado, se han realizado las proyecciones de los es-cenarios estudiados hasta un horizonte en el año 2030 de manera tal a disponer de elementos de juicio a mediano y largo plazo.

Escenario tendencial

El escenario tendencial se basó en una proyección lineal en base a datos históricos de consumo y sus tendencias. La tendencia del PIB ha sido basada en modelos econométricos aptos y el crecimiento poblacional según estimaciones de la ONU8.

En dicho sentido, si las tendencias actuales en el consumo de energía se man-tienen, la evolución de la matriz energética del Paraguay para el año 2030 del escenario tendencial se expone en el siguiente gráfico.

8 Disponible en: http://esa.un.org/wpp/unpp/Panel_profiles.htm

39

Fig.4. Escenario tendencial, evolución de la demanda de energía final.Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

Tabla 1. Unidades de Demanda de Energía Final. Fuente: elaboración propia (re-sultado del software LEAP©).

Demand: Energy

Demand Final Units

Scenario: tendency

Ann Avg

Branch: Demand

Growth (%)

Units: Thousand

Tonne of Oil Equivalents

2004 2008 2025 2030 2004-30

Alcohol 0,2586 28,9642 79,0393 88,8779 “25,1829%”

Biomass 2094,9352 2048,6846 2339,71 2413,0243 “0,5452%”

Electricity 406,1862 513,8699 659,9706 690,2876 “2,0605%”

Oil Products 1252,2593 1322,0903 1929,6941 2150,5449 “2,1017%”

Solid Fuels 0 0,23 0,1374 0,142 N/A

Total 3753,6393 3913,8391 5008,5514 5342,8767 “1,3671%”


En la tabla de arriba se puede observar la evolución de la demanda de energía final del escenario tendencial por fuente de energía en miles de toneladas equiva-lentes de petróleo y el respectivo crecimiento porcentual.

Para el año 2030 se observó aún una gran dependencia de la biomasa y los hidrocarburos, y poca participación de la electricidad, matriz que para el año en cuestión no mejoraría los índices de sustentabilidad antes mencionados. Por lo tan-to, se ha visto necesaria la aplicación de algunas medidas energéticas que ayuden a mejorar estos indicadores de la matriz energética prevista para el año 2030.

Fueron aplicadas tres medidas de sustitución de fuentes de energía y eficiencia energética, para mejorar el escenario tendencial para el año 2030.

Escenario 1: Cocinas Eficientes

La primera medida analizada fue “sustitución de las cocinas tradicionales basadas en biomasa por cocinas más eficientes en el sector residencial rural”. Se decidió aplicar dicha medida ya que el sector residencial rural es uno de los mayores consumidores de leña, empleada para la cocción de alimentos.

Además, es importante destacar que el uso residencial de la biomasa es im-portante desde el punto de vista de las emisiones de GEI por dos significativas razones. Primeramente, el consumo de biomasa produce emisiones netas de CO2, dado que un porcentaje de la leña empleada no se corta de manera sostenible. En segundo lugar, se emiten GEI distintos al CO2 por la combustión incompleta de la biomasa. Por otra parte, el uso típico de la biomasa está seriamente vincula-do con severos problemas respiratorios y de otra índole que afectan a la salud, principalmente entre las mujeres y menores en zonas rurales, por la exposición al humo producto de la combustión incompleta de la leña. La experiencia interna-cional demuestra que la transición hacia la utilización del gas LP en las viviendas rurales enfrenta importantes barreras económicas y culturales; por ello en el corto plazo la difusión de estufas o cocinas mejoradas de leña es la manera más factible para resolver tanto el impacto sobre la salud como las emisiones de GEI

[Referencia México]. Investigaciones realizadas al respecto indican que existen beneficios resultantes de daños reducidos a la salud y protección al medio am-biente (externalidades) de alrededor de: $341,64/estufa/año

El consumo de leña total en el año 2008 fue de 1.266 kTEP de los cuales en el sector residencial se consumió 440,48 kTEP siendo el sector con mayor consumo de esta tecnología con una participación del 34,8% , en este sector el consumo en cocción de alimentos en el sector rural es de 375,47 representando el 85,17% del consumo del sector residencial y 29,6% del consumo de leña total del 2008, la tendencia que arroja el comportamiento es que para el año horizonte la represen-

41

tatividad de la leña en el sector rural alcanzará 552,4679 kTEP que representará el 85,6% del consumo de leña en el sector residencial y 36,22% del consumo total de leña del año 2030.

Fig.5. Escenario tendencial, evolución de consumo de leña sector residencial por uso. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

Tabla 2. Unidades de Demanda de Energía Final, consumo de leña sector residen-cial por uso. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

Demand: Energy Demand Final Units

Scenario: tendency, Fuel: Wood

Ann Avg

Branch: Demand\RESIDENTIAL

Growth (%)

Units: Thousand Tonne of Oil Equivalents

2004 2008 2025 2030 2004-30

RURAL\USOS TERMICOS\COCCION

DE ALIMENTOS451,9616 375,4703 526,546 552,4679 “0,7753%”

URBANO\USOS TERMICOS\COCCION

DE ALIMENTOS81,8466 65,0142 84,064 90,1261 “0,3713%”

Total 533,8082 440,4845 610,61 642,5941 “0,7159%”


Con dicha medida se prevé el abastecimiento de cocinas MIRT9, que disminuye en un 50% el uso de leña, a 30.000 viviendas rurales, y el abastecimiento de co-cinas eléctricas a 150.000 viviendas rurales.

Los resultados de la implementación de esta medida se observan en la serie de gráficos presentada a continuación.

Fig.6. Comparación entre escenarios, demanda final de energía. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

En el consumo total de energía del país, la incidencia no es significativa en comparación con el escenario tendencial, pero en el sector residencial podemos observar mejor las ventajas de la implementación de dicha medida a través de los siguientes gráficos:

Fig.7. Comparación entre escenarios, demanda final de energía del sector residencial. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

9 Cocinas Mirt: consta de un anillo de cemento y de una placa metálica o de arcilla, placa con un diámetro de aprox. 60 cm, en comparación con los denominados fuegos abiertos, el hornillo Mirt ahorra hasta un 50% de madera.

43

Al año 2030 la participación del consumo residencial rural en cocción de ali-mentos tendría una participación del 36,22% con un consumo de 552,46 kTEP, mediante la aplicación de esta medida se pudo reducir este porcentaje al 34,03% a un consumo de 501,82 kTEP, reduciendo un total de 50,64 kTEP de leña no obstante la introducción de cocinas eléctricas aumentó el consumo de electricidad en 15,01 kTEP.

Fig.8. Comparación entre escenarios, demanda final de leña del sector residencial. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

Tabla 3. Unidades de Demanda de Energía Final, consumo de leña sector residen-cial. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).


Fuel: Wood Ann Avg


Growth (%)


2004 2008 2025 2030 2004-30

SUSTITUCION DE COCINAS

533,8082 440,4845 562,341 591,9487 “0,3984%”

tendencial 533,8082 440,4845 610,61 642,5941 “0,7159%”

Total 1067,6164 880,9691 1172,951 1234,5427 “0,5603%”


Fig.9. Comparación entre escenarios, demanda final de electricidad del sector residencial. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

Tabla 4. Unidades de Demanda de Energía Final, consumo de electricidad sector residencial. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).


Fuel: Electricity Ann Avg


Growth (%)


2004 2008 2025 2030 2004-30

SUSTITUCION DE COCINAS

185,5213 251,3626 363,6524 387,4444 “2,8728%”

Tendencial 185,5213 251,3626 349,3504 372,4383 “2,7166%”

Total 371,0426 502,7252 713,0029 759,8826 “2,7955%”

La reducción del consumo de leña genera beneficios adicionales como reducción de horas hombres en recolección y menor deforestación con fines energéticos. En dicho sentido, investigaciones recientes indican que existiría un ahorro efectivo de tiempo por día debido al uso de la estufa de aproximadamente 0,25 horas/día/estufa.

Escenario 2: Tren Diesel

La segunda medida fue “incorporación del tren diesel”. Se decidió aplicar dicha medida ya que el consumo del diesel es preponderante en el sector transporte del escenario tendencial, utilizado principalmente por los camiones de larga distancia.

El consumo de diesel total del 2008 es de 960,48 kTEP de los cuales el 34,28% es utilizado por el transporte carretero de carga largas distancias, que

45

según el escenario tendencial al año 2030 alcanzaría un consumo de camiones de larga distancia de 551,36 kTEP teniendo una participación de 35,61% para el año horizonte.

Fig.10. Escenario tendencial, demanda final de energía del sector transporte. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

En la Fig. 11 se observa que el transporte carretero camiones representa el 83,56% del consumo diesel total y su influencia para el año 2030 sería mayor en la matriz energética.

Fig.11. Escenario tendencial, participación de los subsectores del sector transporte en el consumo del diesel.

Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

En las emisiones de CO2 del transporte carretero también los camiones de lar-ga distancia que consumen diesel tienen mayor influencia.


Fig.12. Escenario tendencial, emisiones de GEI del sector transporte, subsector camiones. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

Con la incorporación del tren diesel se produjo una reducción del consumo del diesel de 388.750.000 litros medio anual. Los resultados más importantes de di-cha incorporación se ven reflejados en los gráficos que se presentan a continuación.

En el año 2008 las emisiones de GEI alcanzan un valor de 2958.20 kTEP/CO2equiv siendo el mayor sector que emite estos gases el de camiones larga dis-tancia con 49,28% de participación, para el año 2030 las emisiones alcanzarían 4767,92 kTEP/CO2equiv año en el cual el sector camiones alcanza una participa-ción del 51,20% en la emisión de GEI del sector energético paraguayo.

En el siguiente gráfico se observa que, como consecuencia de la implementación de la medida estudiada, se produce una disminución en el consumo final de energía.

Fig.13. Comparación de escenarios, demanda final de energía. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

47

En la demanda final de energía se observa una reducción de 212 kTEP de die-sel anuales, que para el año 2030 sería una reducción acumulada de 3180 kTEP de diesel al año horizonte.

Fig.14. Comparación de escenarios, demanda final de diesel. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

La reducción de emisiones de los GEI entre otros, también representa una ventaja de la implementación de la medida aplicada, se tendrá una disminución acumulada de 10,462 miles de toneladas de CO2 equivalente.

Fig.15. Comparación de escenarios, emisiones de gases de efecto invernadero debido al consumo de diesel.


Escenario 3: Tren Eléctrico

Finalmente la tercera medida implementada fue “incorporación del tren eléc-trico”, con el fin de dar una mayor participación a la energía eléctrica y para la reducción del consumo del diesel por las razones anteriormente mencionadas.


La influencia de la incorporación de dicha medida en el consumo final de ener-gía del Paraguay se puede observar en el siguiente gráfico.

En el cual se observa una disminución anual de 342.326 kTEP anuales de die-sel a partir del 2015, que acumulados al año 2030 se observa una reducción de 5,475 kTEP de diesel, y un aumento anual de 34,93 kTEP de electricidad a partir del 2015, que acumulados al año horizonte representa un aumento de electricidad acumulado de 558,89 kTEP.

Fig.16. Comparación de escenarios, demanda final de energía. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

La disminución del consumo del diesel en el sector transporte debido a la im-plementación del tren eléctrico es muy significativa, conforme puede observar en el gráfico siguiente.

Fig.17. Comparación de escenarios, demanda final de diesel. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

La reducción de emisiones de los gases de efecto invernadero entre otros, tam-bién representa una ventaja adicional de la implementación de la medida analiza-

49

da. Se reducirá al año 2030 la cantidad acumulada de 16866 miles de toneladas equivalentes de CO2.

Fig.18. Comparación de escenarios, emisiones de dióxido de carbono debido a todas las fuentes de energía.


Por último presentamos la proyección de la demanda final de energía en el Paraguay, comparación entre los diferentes escenarios, el tendencial y los tres deseados.

Fig.19. Comparación entre todos los escenarios, demanda final de energía. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

Relación Costo/Beneficio

En la siguiente tabla se presentan los resultados de la relación que existe entre el costo/beneficio social de los diferentes escenarios comparados con el escenario tendencial.


Tabla 5. Relación costo/beneficio, comparación de los diferentes escenarios con el escenario tendencial. Fuente: elaboración propia (resultado del software LEAP©).

Cumulative Costs and Benefits: 2004-2030. Compared to Scenario: tendency.

Million 2008 U.S. Dollar. Discounted at 10,0% to year 2008.

Costs REFERENCIA SUSTITUCIÓN DE COCINAS

TREN DIESEL

TREN ELÉCTRICO

Imports -179,5 0 -62,5 -100,7

Exports -28,7 3,7 0 13,7

Unmet Requirements 0 0 0 0

Environmental Externalities -91,3 0 -43,1 -69,6

Net Present Value -299,5 3,7 -105,6 -156,6

GHG Savings (Mill Tonnes CO2 Eq)

24,8 0,2 10,5 16,9

Estos resultados presentan la relación Costo/Beneficio con relación al escena-rio tendencial, los valores positivos en la fila Export representan la reducción de exportación con relación al escenario tendencial, así como los valores negativos en la fila Imports representan beneficios con relación al escenario tendencial. Todos los valores son descontados al 2008.

Para realizar el cálculo, se asumió la valorización del beneficio de exportación de electricidad en 5 US$/Mwh y 60 US$ /m3 de diesel además de considerar el valor de reducción de 15 US$ por tonelada de CO2 no emitido.

CONCLUSIÓN

A lo largo del documento, se han presentado distintos aspectos y se realizaron varios diagnósticos del sector energético del Paraguay.

Se ha elaborado en el entorno LEAP© un modelo energético integral del Pa-raguay. Los escenarios fueron basados en balances integrales sobre la forma en que se consume, transforma y produce energía en el país.

El Paraguay no contaba con un modelo energético integral con una estructu-ra de mayor desagregación como el que ha sido elaborado, con el cual pudieron aplicarse medidas más específicas dentro de los diferentes sectores de consumo de energía. Dicho modelo se pone a disposición de los diferentes actores del sector energético del Paraguay con todos los beneficios que tener este tipo de modelos proporciona.

51

También se han aportado diferentes medidas de eficiencia energética que pueden aplicarse para mejorar la estructura de la matriz energética de la Re-pública del Paraguay, cumpliendo así con el objetivo trazado al plantearnos la realización del mismo.

Los principales resultados son la disminución del consumo del diesel en los escenarios 2 y 3, el aumento del consumo de la electricidad y la disminución del consumo de la leña en los hogares residenciales rurales en el escenario 1, la incorporación de la electricidad en el sector transporte en el escenario 3 y en todos los escenarios se ha observado una disminución en las emisiones de gases de efecto invernadero.

Se ha presentado una comparación entre los costos y beneficios obtenidos de los diferentes escenarios deseados en comparación al escenario tendencial.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

OLADE, CEPAL, GTZ. Energía y desarrollo sustentable en América Latina y el Caribe: Guía para la formulación de políticas energéticas. Quito: OLADE, 2000.

PULFER, Jean-Claude. Diagnóstico del sector energético en el área rural de Paraguay. Proyecto electrificación rural. Organizaciones auspiciante: Organización Latinoamericana de Energía (OLADE), Agencia Canadiense para el Desarrollo Internacional (ACDI) y Universidad de Calgary. Asunción: 2005.

ROLÓN, Juan Carlos. Situación de la Matriz Energética en Paraguay. Soluciones para el desarrollo sostenible, Recomendaciones. San Lorenzo: 2009.

Ministerio de Obras Públicas de Comunicaciones, Vice Ministerio de Minas y Energías. “Plan Estratégico del Sector Energético de la República del Paraguay” (2004-2013). San Lorenzo: 2003.

Vice Ministerio de Minas y Energía. Estudio de País: Paraguay. Aplicación del Modelo MAED del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Proyecto Regional RLA/0/029. Primer Borrador. San Lorenzo: 2007

Aguiar, L; Blanco, Gerardo; Buzarquis, Enrique. “Análisis de la Renegociación del Tratado Bilateral de la Itaipú Binacional,” In: VIII Latin American Congress on Electricity Generation & Transmission. Ubatuba: 2009.


Vice Ministerio de Minas y Energías. Eficiencia Energética en el Paraguay, Situación actual y perspectivas. Taller Intergubernamental de Eficiencia Energética. San Lorenzo: 2009

COMMEND. 2010. LEAP© software. Community for energy, environment and development. Disponible en: http://www.energycommunity.org/.

GARCÍA-FRAPOLLI, E., C. ARMENDÁRIZ, V. M. BERRUETA, R. D. EDWARDS, A. GUEVARA, H. RIOJAS-RODRÍGUEZ, Y O. R. MASERA. Beyond Fuelwood Savings: Valuing the Economic Benefits of Introducing Improved Biomass Cookstoves in the Purhépecha Region. Mexico: Ecological economics, 2010

<<<

53

>>> pRODUCCIÓN DE BIODIESEL A pARTIR DE MICROALGAS COMO ALTERNATIVA A LOS CULTIVOS CLÁSICOS

Ignacio Ferrero

RESUMEN

La Argentina se establece como un importante exportador dentro del mercado global de biocombustibles. Según las estimaciones dadas, en los próximos años puede esperarse que su participación como productor mundial se encuentre den-tro de los primeros cinco puestos. Además, el país se encuentra entre los princi-pales países productores y procesadores de soja y sus derivados y la industria de aceites y grasas vegetales, proveedora del principal insumo para la fabricación de biodiesel en la actualidad, se encuentra en pleno auge y desarrollo. Sin embargo, el aprovechamiento integral de la biomasa con fines energéticos ejerce una fuerte y creciente presión sobre el recurso tierra, compitiendo con la provisión de ali-mentos y expandiendo zonas de cultivo hacia áreas de mayor fragilidad medioam-biental. La producción de biocombustible sin comprometer tierra fértil permitirá su disposición para la producción de alimentos y el aprovechamiento de las zonas marginales (no cultivables e inundables) que abundan en nuestro país, sin com-prometer nuestro liderazgo como exportadores de biodiesel. Es en este contexto donde cobran importancia las microalgas, organismos unicelulares ampliamente distribuidos en la naturaleza, productores naturales de grandes cantidades de lípidos y numerosos otros metabolitos de interés ecológico e industrial. Su eleva-do rendimiento de aceite por hectárea en comparación con las oleaginosas y su rápida reproducción parece indicar que quien desarrolle el método para producir biodiesel a partir del aceite de microalgas a gran escala y en forma sustentable, tendrá el dominio sobre el mercado futuro del combustible. Se presentan aquí algunos esfuerzos realizados hacia el desarrollo de innovadoras herramientas que permitan diseñar una metodología lógica para el escalado de foto-bio-reactores para el cultivo de algas microscópicas productoras de aceite.

PALABRAS CLAVE: biodiesel, microalgas, foto-bio-reactores.

GR

AD

O


ABSTRACT

Argentina arises as an important exporter of bio-fuels within global market. As estimated, the country will set as one of the five best producers in the coming years. Moreover, Argentina is one of the main producer and processer of soybean and its derivatives, and the industry of oil and animal fat – the actual main raw material for making biodiesel – is in continuous development. However, using biomass for energy implies a strong pressure on the land, competing with food provision and expanding culture areas to more environmentally fragile zones. Production of bio-fuels needs to be independent of fertile ground in order to allow its disposal for food cultivation and also to take advantage of none cultivable and floodable areas that predominate in our country. This approach will also ensure the country leadership as biodiesel exporter. Is in this context where microalgae gain prominence. Such a unicellular organism is largely distributed in nature and is a natural producer of a great variety and large amount of lipids and several other metabolites of major importance in industry and ecology. Microalgae have shown a superior oil yield per hectare and a far less doubling time related to con-ventional oil crops. Thus, it is said that whoever develops a sustainable method to allow large-scale production will get domain over global market of biodiesel. Here, we describe some efforts made in development of novel tools to allow the design of a logical methodology for scaling-up of photo-bio-rectors for culture of oil-producing-microalgae.

KEY WORDS: biodiesel, microalgae, photo-bio-reactors.

INTRODUCCIÓN

La Ley nacional 26.093 (Régimen de Regulación y Promoción para la Produc-ción y Uso Sustentables de Biocombustibles) sancionada en el año 2006, estable-ce que a partir del 2010 el gasoil para consumo debe contener al menos un 5% de biodiesel.

En Argentina, la fabricación de biodiesel a gran escala es un fenómeno re-ciente. Durante el 2004 y el 2007, la capacidad productiva se expandió en más de 400%, alcanzando durante el último año valores cercanos a las 2,5 millones de toneladas. Este importante incremento es producto de significativos flujos de inversión realizados por el sector en el último trienio. En última instancia, dicho fenómeno responde en gran medida —aunque no exclusivamente— a las posibili-dades intrínsecas de agregación de eslabonamientos y diversificación exportadora

55

que posee el complejo oleaginoso, el cual se encuentra principalmente radicado en la provincia de Santa Fe (Rozemberg, 2008).

Sin embargo, el desarrollo de los biocombustibles apunta actualmente al desa-rrollo de tecnologías que eviten la restricción de tierras y permitan el reemplazo de combustibles fósiles por una alternativa sustentable. La utilización de gran-des extensiones de terreno fértil para tal fin entra en conflicto con la creciente necesidad de tierras a ser destinadas a la producción de alimentos. Según la ONU, el precio mundial de los alimentos bate records y seguirá aumentando. Un crudo más caro vuelve más competitivos a los biocombustibles extraídos de plantaciones, lo cual restringe la parte de la producción agrícola que se destina a alimentación. Y al mismo tiempo, la suba del combustible para tractores y de los fertilizantes se hace sentir sobre los precios agrícolas (Clarín, 2011). Esta situación se ve agravada en países en vía de desarrollo con fuerte dependencia del sistema agrícola como es Argentina y, particularmente, nuestra región (principal polo sojero del país).

Resulta imperativo invertir en la investigación de biocombustibles a partir de materias primas capaces de crecer en suelos marginales y desarrollarlas nacio-nalmente con éxito. El futuro de la Argentina reside en administrar eficientemen-te el uso de suelos y maximizar su potencial para la producción de alimento y también de energías sin comprometer la de alimentos (James, 2009).

En este contexto cobran importancia las oleaginosas no tradicionales como la jatropha. Su aceite puede llegar a ser una materia prima mucho más económica y por lo tanto más deseable que un aceite comestible. Desafortunadamente, presen-ta dificultad en cosecharla (manualmente, requiriendo de mucha mano de obra), la pulpa excedente después de extraer el aceite no posee mucho valor comercial, por su toxicidad no puede molerse en las mismas instalaciones que se usan para oleaginosas comestibles, y sus frutos no maduran en una misma temporada sino a lo largo del año, complicando la logística y aumentando los costos laborales (James, 2009).

Las algas microscópicas con un gran rendimiento y productividad en aceite y otros metabolitos, independencia estacional y capacidad de crecer en suelos marginales parece ser la materia prima ideal. Actualmente, un cierto número de agencias gubernamentales, organismos públicos y privados, centros de investiga-ción y casas de estudio se encuentran llevando a cabo investigaciones, desarrollos tecnológicos e inversiones sobre el cultivo de microalgas a gran escala para pro-ducción de biocombustibles. A nivel mundial se estima que son 200 las compañías que llevan adelante esta tecnología, destinando la producción de algas directa-mente a la obtención de energía.

Las microalgas tienen una gran importancia económica y ecológica. Son mi-croorganismos sumamente valiosos ya que son los primeros intercambiadores bio-


lógicos de dióxido de carbono (CO2) y oxígeno (O2) en este planeta. Constituyen el grupo productor primario de biomasa más importante y son uno de los grupos ecológicos más diversos de organismos. La biomasa proveniente de algas se ha empleado históricamente como fertilizante y como fuente de alimento tanto para animales como para humanos. Las microalgas también son empleadas en algunos procesos de la ingeniería ambiental como el tratamiento biológico de efluentes y la bio-remediación. Algunas especies producen compuestos químicos muy úti-les como aminoácidos, vitaminas, carotenoides, ácidos grasos, polisacáridos y antibióticos. Los avances técnicos y biotecnológicos han permitido, y permitirán aún más en el futuro, el empleo de las microalgas en áreas tan diversas como la alimentación, la industria cosmética, la industria farmacéutica (descubrimiento de metabolitos secundarios con potencialidad farmacológica), la agricultura, la acuicultura y la remediación del medio ambiente (Richmond. 2004). En cuanto a su aplicación energética, no sólo son utilizadas como materia prima para la pro-ducción de biodiesel, también para la producción de biometano (Spolaore, 2005), biohidrógeno (Melis, 2000) y bioetanol (Greenwell, 2011).

Particularmente, la producción de aceites con destino a biodiesel a partir de microalgas presenta una numerosa serie de ventajas sobre los cultivos clásicos, a saber:

i) No necesitan del suelo fértil para desarrollarse y algunas especies crecen en agua marina o salobre. Por lo tanto, su cultivo a escala industrial no compite ni por el suelo ni por el agua de riego con las agriculturas tradicionales.

ii) El cultivo de las microalgas puede realizarse en grandes volúmenes de agua, como lagunas y piletones, lo que permite sembrarlas y cosecharlas desde un punto de bombeo único.

iii) Las microalgas crecen sin fuertes restricciones climáticas o estacionarias y permiten un aprovechamiento permanente de las áreas afectadas al cultivo.

iv) Las microalgas muestran tener mayor actividad fotosintética y capacidad de fijación de dióxido de carbono (CO2) que las plantas terrestres (Scragg, 2002). Esto las hace potencialmente propicias para fijar el CO2 generado por fuentes contaminantes como por ejemplo las usinas térmicas (Zeilert, 1995).

v) En su estructura presentan un alto contenido de lípidos, llegando en algunas cepas a más del 80% del peso seco, y en promedio entre el 20% y 50% (Chisti, 2007; Hu et. al, 2008). Sin embargo, esta cantidad disminuye notablemente si se considera el alto contenido de agua en la pasta de algas obtenida tras su cosecha, por lo que se necesitarán nuevas tecnologías de cosecha, extracción y transesterificación para lograr el éxito de esta aplicación.

57

vi) El tiempo de duplicación promedio de un cultivo de microalgas es de 24 hs, significativamente menor al correspondiente para los cultivos clásicos.

vii) Además del crecimiento autótrofo, en determinadas condiciones de cultivo algunas cepas pueden utilizar para su desarrollo fuentes de carbono orgánicas (cultivo mixotrófico) tales como el glicerol.

Este último punto merece una distinción particular, el glicerol es un subpro-ducto de la transesterificación de los aceites vegetales y su volumen de producción es aproximadamente 100 kg de glicerol por cada tonelada de biodiesel producido. Su utilización (o comercialización) es una parte importante de la rentabilidad en la producción del biocombustible.

Aunque la producción de biodiesel utilizando aceites obtenidos a partir de microalgas se identifica como una opción tangible al problema de la escasez de combustibles, sin comprometer la provisión mundial de alimentos, es impor-tante remarcar que hay ciertos aspectos biológicos, técnicos y económicos que aún no están resueltos y que se necesitan descifrar e interpretar para lograr un proceso de producción eficiente y sustentable desde el punto de vista ambiental, energético y económico.

Actualmente existen sólo dos métodos prácticos de producción de microalgas a gran escala, los estanques raceway (Terry, 1985; Molina Grima, 1999) y los foto-bio-reactores (FBRs) tubulares (Molina Grima et al., 1999; Tredici, 1999; Sánchez Mirón et al., 1999). Sin embargo, las metodologías del diseño y escala-miento para FBRs están poco desarrolladas. No existe mucha información sobre las variables de diseño y operación de este tipo de reactores.

Creemos que el éxito de la aplicación de las microalgas en la producción de biodiesel requiere una correcta comprensión del complejo conjunto de variables que afectan el crecimiento celular y la producción de aceites, y de la forma en que estas se relacionan. Para ello, en el Laboratorio de Operaciones y Procesos Biotec-nológicos de esta Facultad se decidió dar comienzo en el año 2008 a un proyecto grupal e interdisciplinario con el objetivo de desarrollar herramientas de simula-ción para el diseño, construcción y optimización de FBRs para la propagación de microalgas a escalas laboratorio y piloto. A continuación, durante el año 2011, se creó en la misma Facultad, el Grupo de Innovación en Ingeniería de Bioprocesos (GIIB) que otorga identidad a aquel proyecto. Como estudiante de la Licenciatura en Biotecnología y miembro del GIIB, me encuentro realizando la tesina -en el tema de la actual monografía- para optar por el titulo de grado correspondiente.

En la presente se expondrán algunos resultados obtenidos por el grupo a nivel de laboratorio como así también las proyecciones en cuanto a producción a esca-las mayores, desde una perspectiva racional y aplicando metodologías técnica y económicamente sustentables.


El diagrama a continuación (Figura 1) conjuga el proceso de escalado racional (basado en herramientas computacionales de simulación de como se desarrolla-rá), con el clásico sistema de producción de biodiesel (etapas del downstream processing, adaptado de Chisti, 2007).

Figura 1: Diagrama del proceso de producción de biodiesel y otros productos de interés industrial a partir de microalgas.

El agua, los nutrientes, el CO2 y la luz, son proporcionados a los sistemas de cultivo (abiertos, cerrados o híbridos) para la producción de biomasa de microal-gas rica en lípidos. El CO2 puede provenir del aire ambiente, o bien, los sistemas de cultivo pueden ser acoplados a flujos ricos en este gas procedente de emisiones industriales, tales como las de las plantas generadoras de energía eléctrica. La luz por su parte puede ser suministrada artificialmente o bien, para escalas mayores, puede aprovecharse la energía solar. La biomasa producida se separa del agua y los nutrientes residuales se recirculan hacia la etapa inicial de producción de biomasa. Los aceites se extraen a partir de la pasta de microalgas, para después transformarse en biodiesel y glicerol, mediante la reacción de transesterificación. Este esquema conceptual incluye etapas adicionales que posibilitan acoplar la producción de biodiesel al aprovechamiento de los co-productos de manera de asegurar la rentabilidad global del proceso. Es decir, del glicerol y de la biomasa microalgal libre de lípidos, ya sea directamente como insumos industriales, en la alimentación humana, animal y/o acuícola, o indirectamente a través de su trans-

59

formación en productos alternos tales como biogas (por digestión anaeróbica), entre otros. La energía del biogas se puede aprovechar para la producción de biomasa en el reactor (no se muestra en la figura). La flecha cortada representa la potencial aplicación del glicerol obtenido como sustrato para la producción de biomasa en el mismo reactor. El biodiesel puede aprovecharse directamente como fuente de energía o en forma alternativa, por ejemplo, como adyuvante en agro-químicos; una innovadora aplicación que será investigada a futuro.

METODOLOGíA

En primera instancia se comenzó trabajando con cepas de microalgas conside-radas modelo de investigación, tales como Scenedesmus quadricauda y Chlorella sp. La primera fue aislada desde una laguna de la zona de la ciudad Universitaria (Santa Fe, Argentina). Teniendo en cuenta el objetivo perseguido, recientemente se adquirió una nueva cepa, Chlorella vulgaris, de fácil crecimiento y capaz de acumular mayores cantidades de aceite.

Para su crecimiento y propagación se diseñó y construyó un FBR anular (Fi-gura 2). Se eligió esta geometría para maximizar el aprovechamiento de la ra-diación generada por la fuente de luz artificial. En el interior se ubi-ca una lámpara fluorescente PHI-LIPS DAY LIGHT de 20W. Los instrumentos de medición y control están conectados a un controlador de un reactor de mesada Labforce que permite, por medio de un soft-ware computacional, registrar y controlar la temperatura, pH, pre-sión parcial de oxígeno, y caudales de aire suministrado y de alimen-tación y toma de muestra.

Figura 2: FBR anular conectado al controlador Labforce para el cultivo de

microalgas.


Un primer paso hacia la producción sustentable y comercialización lo consti-tuye la identificación del sistema de variables que afectan el proceso productivo y la comprensión integral de su interrelación. Se propone desarrollar innovadoras tecnologías que permitan la total comprensión del fenómeno, desde su inicio en el cultivo en FBRs, su modelado y seguimiento, hasta el final, con su escalado, producción y procesamiento; optimizando cada etapa a nivel técnico y económico.

Upstream proccessing: operación del FBR y crecimiento celular

Densidad Óptica (DO). Con la finalidad de poder seguir la evolución de los cultivos, suele emplearse como parámetro de referencia la DO de los cultivos, debido a su fácil y rápida determinación y a que se utilizan pequeños volúme-nes de muestra lo cual permite no alterar en forma significativa el volumen de los FBRs operados en forma discontinua. Debido a la proporcionalidad de la medida de DO con otros parámetros de interés, como la biomasa y el número de individuos, será posible correlacionar estas últimas magnitudes con sus DO correspondientes, a través de la obtención de curvas de calibrado que los re-lacionen. Si bien es cierto que los espectros de absorción de los pigmentos que poseen las microalgas tienen sus máximos de intensidad de absorción alrededor de los 430 y 660 nm (clorofila-a) y 450 y 640 (clorofila-b), deberán elegirse longitudes de onda no necesariamente situadas sobre los picos de absorción. Esto se debe a que las concentraciones de los pigmentos varían marcadamente en función de las condiciones de cultivo, haciendo que la proporcionalidad entre la biomasa y la DO sea muy fluctuante al realizar las mediciones en las longitu-des de onda correspondientes a los picos de absorción de las clorofilas (Rocha et al, 2003). Para las determinaciones aquí presentadas, la longitud de onda seleccionada fue 540 nm.

Biomasa total. Teniendo en cuenta la finalidad científica y tecnológica del proyecto, un parámetro sumamente relevante para el seguimiento de las experien-cias lo constituye la determinación de biomasa. Se optó por la utilización de una técnica gravimétrica, debido a la simplicidad y exactitud del método, que consiste básicamente en el filtrado de volúmenes exactos y conocidos de suspensiones de microalgas a las cuales se les desea determinar su biomasa. Así, se busca retener los sólidos suspendidos totales (SST), y luego a través de secados sucesivos, en estufa primero y mufla después, determinar los sólidos suspendidos fijos (SSF) y los volátiles (SSV). Entre las desventajas que podemos reseñar de estas técnicas están la elevada demanda de tiempo y el alto volumen de muestra que se requiere para el procesado de réplicas. Por esta razón también es muy útil realizar curvas de calibrado que relacionen la biomasa con otro parámetro más simple de deter-minar como la DO.

61

Medio de cultivo. Una de las variables más complejas en este sistema produc-tivo es la composición del medio de cultivo (generalmente salino). Se encuentra íntimamente relacionada con otras variables operativas y fisicoquímicas impor-tantes: pH, temperatura y concentración de CO2.

Varios estudios demuestran la importancia de la composición del medio de cultivo sobre el crecimiento celular; regulando tanto la velocidad de propagación como la composición final de la biomasa. Dos variables de gran trascendencia son la concentración de CO2 y el pH del medio de cultivo. Ambas variables afectan particularmente al crecimiento celular, el primero por ser la fundamental fuente de carbono y el segundo limitando el desarrollo microbiano a un rango óptimo. Sin embargo, el tratamiento de estas variables no puede realizarse de manera independiente: el CO2 disuelto en agua participa de equilibrios ácido-base, capa-ces de influir sobre el pH del medio de cultivo. En este contexto, es importante tener una herramienta que permita predecir la influencia en el desarrollo del cultivo de las variables anteriormente citadas. Para eso, desarrollamos un mo-delo de simulación computacional que permite conocer, a priori, la composición de medios de cultivos (variable dinámica) en función de su formulación original.Contar con un método de simulación y predicción permite analizar cada variable en forma individual, y controlar cuáles y en qué magnitud se modifican en cada una de las condiciones de cultivo propuestas; transformándose en este caso, en una herramienta útil al diseñar racionalmente el medio de cultivo adecuado según el objetivo perseguido.

Para las diferentes simulaciones, se recurrió al empleo de Algoritmos Gené-ticos (AGs). Los AGs son métodos matemáticos estocásticos de optimización y búsqueda global. En contraste con los métodos determinísticos tradicionalmente usados, no requieren excesiva manipulación matemática de la estructura de la función objetivo ni de las condiciones de contorno y representan una herramienta muy útil en sistemas no lineales.

A partir de los equilibrios involucrados en la solución que constituye un medio típico de propagación de microalgas como el BG-11 (medio salino), el cual cons-tituye un sistema complejo bifásico (fases gaseosa y líquida) multicomponente (38 especies iónicas y moleculares), y de sus respectivas constantes de equilibrio, se planteó un sistema de ecuaciones (algebraicas y diferenciales) para describir la distribución de concentraciones de cada especie presente. Para las diversas reacciones de equilibrio ácido-base de la forma AH ↔ A- + H+, con Kac= aA-aH+/aAH; el AG se utilizó para obtener los valores de concentración de cada especie presente en el medio de cultivo. Para el cálculo del error asociado a cada conjunto de valores se plantearon las siguientes restricciones: Kac - (aA-aH+/aAH) = 0 y CT

AH - [A-] - [AH] = 0 (donde CT

AH es la concentración formal del AH); las reacciones


de formación de complejos fueron tratadas de manera equivalente. El cálculo de la concentración de CO2 (aq) se basó en la ley de Henry suponiendo comportamiento ideal. Por último, los coeficientes de actividad se obtuvieron mediante la aplica-ción de la ecuación de Debye-Hückel. La fidelidad de los resultados del modelo se verificó experimentalmente mediante comparación con medidas de pH.Luz. Otra variable de elevada relevancia y complejidad es la intensidad y la calidad de la luz. En cultivos densos de microalgas, la penetración de la luz se dificulta por el self shading y por la absorción de la luz. En el primer caso, las mismas algas se “eclipsan” unas a otras dificultando la posibilidad de que todas estén expuestas a una misma intensidad de radiación. En el segundo caso, las algas, a través de sus pigmentos (principalmente las clorofilas) absorben parte de la radiación re-cibida. En consecuencia, dentro del reactor existen zonas con diferentes niveles de iluminación. Debido a esta razón, es necesario asegurar una disponibilidad de luz uniforme en todo el medio, brindándoles a las microalgas una intensidad de luz suficiente como para evitar estos fenómenos. Para lograr esto, es necesario lograr una mezcla perfecta dentro del reactor a través de una agitación eficiente, permitiendo así que todas las microalgas tengan la misma probabilidad de encon-trar un fotón en cualquier punto del reactor. Existe también un límite superior de intensidad de radiación, por encima del cual aparece el efecto de la fotoinhi-bición, el cual disminuye la productividad de los cultivos, debido a la saturación y daño provocado en el foto-sistema II, uno de los componentes principales que intervienen en la fotosíntesis (Richmond, A., 2004).

Para el análisis de esta variable se propusieron cuatro condiciones experi-mentales: 24 hs luz con la lámpara desnuda, 24 hs luz con la lámpara recubierta con un filtro, 12 hs luz/12hs oscuridad con la lámpara desnuda, 12 hs luz/12hs oscuridad con la lámpara recubierta con un filtro. La selección de estos fotope-ríodos se hizo pensando en un futuro escalamiento del reactor, en el cual la fuente de radiación utilizada fuera el sol y en función de los períodos de luz/oscuridad típicos de nuestra región.

El filtro al que se hace mención es de densidad neutra y rodea a la lámpara. El filtro de densidad neutra no altera la distribución espectral de la radiación emitida, sino que sólo disminuye la intensidad de la radiación que pasa a través del mismo.

Downstream proccessing: extracción y cuantificación del aceite

Contenido de lípidos. Para la determinación de lípidos se comenzó a trabajar primeramente con el método de Blight y Dyer (Bligh y Dyer, 1959), que es uno de los métodos más utilizados para la determinación de lípidos en una gran variedad de tipos de muestras incluyendo las microalgas (Chan et al, 2010). Sin embargo,

63

de acuerdo con nuestra experiencia y con lo visto en la literatura, el principal inconveniente que presentan las muestras provenientes de estos microorganismos es el pre-tratamiento necesario para poder liberar los lípidos de las células, lo cual implica alguna metodología de disrupción celular (Yon et al., 2010; Ranjan et al, 2010). Nuevamente aquí nuestro enfoque de trabajo no sólo está planteado desde el diseño de FBRs, sino desde la Ingeniería de Bioprocesos, que interviene no sólo en el binomio reacción-reactor sino que también en lo que se refiere al procesamiento downstream, contemplando las diferentes operaciones y biosepa-raciones a las que será sometido el material. Para las operaciones de extracción de los lípidos, las muestras a tratar se obtienen luego de centrifugar (o decantar) las suspensiones de microalgas obtenidas al finalizar las distintas corridas expe-rimentales. Lo que se obtiene es una especie de “pasta” de algas con la cual se ensayarán distintos métodos para lograr la disrupción celular. Se probaron pri-meramente los siguientes métodos: ultrasonido (a bajas frecuencias, 18-40kHz), esterilización en autoclave (121°C, 1 atmósfera, durante 20 minutos), conge-lamiento (-80°C en freezer por 48 horas, y a -20°C durante 48 horas, en ciclos alternados) e hidrólisis ácida (ácido clorhídrico 1M, y calentando en baño con agua a 100°C durante 30 minutos). Luego de realizar los correspondientes pre-tratamientos, se procedió a la determinación de los lípidos totales en base seca a través del método mencionado anteriormente, comparando los rendimientos obtenidos en cada caso.

El método de procesamiento previo “húmedo” consiste en centrifugar las muestras en un mismo tubo, a 2500 rpm durante 10 minutos. Luego se resuspen-de el centrifugado en agua destilada hasta un volumen exacto, y se fragmenta en volúmenes iguales para obtener las alícuotas deseadas. A partir de este volumen de agua se agregan las fracciones de metanol y cloroformo correspondientes se-gún la técnica de Bligh & Dyer.

El método de procesamiento previo “seco” consiste en centrifugar toda la mues-tra, a 2500 rpm durante 10 minutos, y luego secar totalmente en estufa a 100°C durante 6 horas. La muestra seca se pulveriza exhaustivamente en mortero y luego se fracciona gravimétricamente en balanza analítica para obtener muestras igua-les. A partir de esta muestra sólida se agregan los volúmenes de agua destilada, metanol y cloroformo correspondientes según la técnica de Bligh & Dyer.

Para obtener una referencia empírica de la capacidad disruptiva de cada mé-todo, se recurrió al Ensayo de exclusión del Azul Tripán. Se basa en el principio de que las células vivas poseen membranas intactas que impiden el acceso de colorantes como el Azul Tripán, mientras las células muertas no.

También se están poniendo a punto otras metodologías para la determinación de lípidos (Por ejemplo, Tinción por Rojo de Nilo).


RESULTADOS

Upstream proccessing: operación del fbr y crecimiento celular

Simulación de la variación del pH de medios de cultivos típicos para cultivo de microalgas

Se analizó la influencia de dos variables sobre el pH del medio: presión de CO2 y concentración inicial de Na2CO3 en el medio de cultivo. Los gráficos 1 y 2 muestran, para dos niveles de presión de CO2 (atmosférica: 0.25 mmHg y enri-quecida en 0,5%: 3,8 mmHg), la variación del pH en función de concentraciones crecientes de Na2CO3. El gráfico 3 relaciona el pH del medio BG-11 (respetando la concentración original de Na2CO3) con el aumento de la concentración de CO2 en la fase gaseosa, variando su presión parcial entre 0 y 128 mmHg. Finalmen-te, en el gráfico restante se construyeron isolíneas de pH, donde se muestran las combinaciones de Na2CO3 y pCO2 necesarias para obtener distintos valores de pH (6,5; 7,5 y 8,5).

Grafico 1 y 2: Variación del pH con la concentración de Na2CO3 para diferentes concentraciones de CO2 en la corriente gaseosa de entrada.

65

Grafico 3: Variación del pH con la concentración de CO2 en la fase gaseosa.

Grafico 4: Concentración de Na2CO3 y presión de CO2 necesarios para ajustar el pH.

La importancia de estos resultados radica en que son la base para el diseño racional de medios de cultivos, además un simulador de este tipo es una herra-mienta fundamental al seleccionar las variables operativas y fisicoquímicas más convenientes en función del objetivo perseguido. Es importante a la vez, en el momento de diseñar experiencias tales como la determinación del coeficiente de transferencia del CO2, parámetro fundamental que se debe medir para la deter-minación de una cinética de crecimiento adecuada.

Efecto de la intensidad de luz y del fotoperiodo sobre el crecimiento celular

A continuación se muestran las gráficas resultantes de las corridas experimen-tales según: 24 horas de luz continua con la lámpara desnuda (gráfico a); 24 ho-ras de luz continua con la lámpara cubierta por el filtro de densidad neutra (grá-fico b), 12hs luz/12hs oscuridad con lámpara desnuda (gráfico c) y 12hs luz/12hs oscuridad con la lámpara cubierta por el filtro de densidad neutra (gráfico d).


Figura 3: Gráficos de las corridas experimentales: (a) 24 hs luz con lámpara desnuda; (b) 24 hs luz con lámpara cubierta con el filtro; (c) 12hs luz/12hs oscuridad con lámpara desnuda; (d)

12hs luz/12hs oscuridad con lámpara cubierta con el filtro.

El estudio de la influencia de la intensidad de radiación incidente demostró la importancia de la misma sobre el crecimiento de las microalgas. La atenuación de la intensidad de la lámpara utilizada en el FBR a través del uso del filtro de densidad neutra, produjo disminuciones significativas en la velocidad de creci-miento de las algas y en consecuencia, en la producción de biomasa. Se observó que la disminución de la intensidad de luz aceleró la entrada de los cultivos en fase estacionaria de crecimiento -a pesar de las bajas densidades celulares alcan-zadas-, demostrándose la importancia de la calidad de luz para el mantenimiento del cultivo en un estado activo (fase exponencial).

El análisis de la influencia del fotoperiodo arrojó que la velocidad de creci-miento de las microalgas se reduce sustancialmente en ciclos de 12 hs luz/12 hs oscuridad, con producciones de biomasa significativamente menores respecto a los controles (cultivos con irradiación continua). Prácticamente la totalidad de la biomasa producida se genera durante las horas de irradiación, mientras que

67

durante los periodos de oscuridad el crecimiento es mínimo e incluso existe des-aparición (consumo por respiración celular) de la masa celular producida durante el período de luz. Además, tanto el aumento de la intensidad de la radiación incidente sobre los cultivos durante los períodos de luz como la disminución de la temperatura durante los ciclos oscuros (debido al apagamiento de la lámpara) favorecen la disminución de la biomasa formada y de la actividad de las microal-gas durante las horas de oscuridad posteriores a un ciclo de luz.

Se concluye que la intensidad de radiación a la cual se someten las microalgas durante su crecimiento es uno de los principales factores que afectan su desarro-llo. A lo largo de 19 días de cultivo la reducción de la intensidad de la radiación incidente en 40% produjo una disminución en la biomasa producida del orden del 75% con irradiación continua y del 65% con foto-períodos. Uno de los fenómenos que explicaría este hecho es el self-shading.

Downstream proccessing: extracción y cuantificación del aceite

Selección del método de disrupción celular para determinación de lípidos

Los tratamientos de esterilización en autoclave y de ultrasonido con sonica-dor presentaron los niveles más altos de disrupción celular (44,9 y 56,5%). La muestra tratada por hidrólisis ácida resultó en la rotura celular total, impidiendo el recuento. El tratamiento de congelación en freezer fue descartado por su bajo rendimiento y largo tiempo requerido.

El método húmedo o volumétrico demostró ser más eficiente, al obtenerse según esta metodología mayor cantidad de lípidos por unidad de biomasa para muestras originadas de una misma cosecha.

El mayor rendimiento en lípidos se obtuvo tratando la muestra en húmedo mediante el método de hidrólisis ácida.

CONCLUSIÓN y pERSpECTIVAS A FUTURO

El modelo del medio de cultivo presentado representa un primer paso en el análisis de FBRs. A través de este algoritmo de cálculo se puede predecir el efecto de la modificación de algún componente del medio (ej.: pCO2, concentración ini-cial de Na2CO3 o cualquier otro componente de la formulación) sobre las demás variables (ej.: concentración de CO2(aq), HCO3-, pH, fuerza iónica, etc.). Como se observa en los gráficos 1, 2 y 3, el aumento de la pCO2 deriva en el aumento del CO2(aq), fuente exclusiva de carbono para la síntesis de biomasa pero disminuye el valor del pH, lo cual afectará la cinética de crecimiento. En el gráfico 4, se obser-


va cómo la corrección del pH mediante el agregado de base (Na2CO3) conduce a un aumento de la fuerza iónica aumentando la presión osmótica, variable fisico-química que también influye en la velocidad de crecimiento. Un análisis adecuado de la influencia de la pCO2 sobre el crecimiento celular requiere mantener cons-tantes otras variables, entre ellas pH e I. Incrementar la concentración de CO2 en la fase gaseosa a pH constante permite aumentar el CO2(aq), manteniendo, dentro de un cierto rango, la fuerza iónica constante. De la comparación de los valores arrojados por el modelo y los obtenidos experimentalmente puede concluirse que el modelo predice con fidelidad el comportamiento del sistema.

Actualmente, se está trabajando en un modelo que permita predecir cómo reaccionará el cultivo de microalgas frente a determinada alteración en la for-mulación del medio de cultivo, de manera que permita analizar como un todo y en diferentes contextos definidos operativamente, cada sistema dinámico “medio de cultivo-cultivo de microalgas”. Para ello, se están teniendo en cuenta procesos metabólicos tales como mecanismos de concentración de CO2, el transporte a través de las membranas y la fotosíntesis, como así también el efecto de variables operativas y fisicoquímicas como la fuerza iónica y la presión osmótica. Los re-sultados de las experiencias con diferentes intensidades de luz y fotoperiodos aquí presentados, como así nuevos estudios con diferentes tipos de luz (ej. lámparas LED) que ya iniciaron, también serán incorporados al modelo.

Se está trabajando en la obtención de modelos cinéticos que expresen la veloci-dad de reacción como una función de las concentraciones de los reactivos y de las variables relevantes del sistema. Para que la expresión cinética pueda utilizarse para el diseño y cambio de escala, los valores de sus parámetros y la funcionali-dad con las diferentes variables deberían ser invariantes, independientemente del tipo y configuración de reactor utilizado. Existen escasas contribuciones dedi-cadas a la obtención de expresiones cinéticas intrínsecas para estos procesos, es decir, independientes del dispositivo utilizado y de las condiciones experimentales.

Disponer de este tipo de herramientas a la hora de diseñar una planta, un equipo o un método de producción permite conocer la influencia de cada una de las variables de diseño en el proceso, desarrollando criterios de construcción u operación con una base sólida y garantizando la máxima eficiencia en términos económicos y de producción.

Un modelado riguroso que considere las variables significativamente relevan-tes que intervienen en el proceso proporciona las herramientas necesarias para el diseño racional de FBRs, la optimización de su funcionamiento y la realización de cambios de escala.

Dentro del reactor, el conjunto de materias primas desencadena una serie de fenómenos (asociados con la absorción y dispersión de la energía radiante; los

69

equilibrios químicos de las especies en solución y las alteraciones en el pH, la fuerza iónica y la presión osmótica que éstas provocan; la transferencia de gases; entre otros) que definen la fisiología del equipo, cuyo análisis, control y optimi-zación son necesarios para su operación en las condiciones de máxima eficiencia y/o productividad. La aplicación de métodos y herramientas computacionales de última generación (Fluence, Algoritmos genéticos y Monte Carlo) constituirá la base para la comprensión de dichos fenómenos.

De esta manera, la conjugación de los resultados y modelos cinéticos obteni-dos a futuro convergen en la creación de un módulo de simulación computacional con capacidad simultánea de diseñar y optimizar un foto-bio-reactor de mayor tamaño, de diferente geometría y modo de operación. Esto requiere un grado de comprensión tal de la fisiología del reactor en cuanto a la optimización de las materias primas, del balance de energía y de la productividad global del proceso que permita la construcción de un módulo digital lo más eficiente posible.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Andersen, R. A. Algal Culturing Techniques. First Edition. Elsevier Academic Press, (2005).

Chan Y.; So-Young J.; Jae-Yon L.; Chi-Yong A.; Hee-Mock O. Selection of microalgae for lipid production under high levels carbon dioxide. Bioresource Technology. 101, 1, 1, S71-S74 (2010).

Chisti, Y. Biodiesel from microalgae beats bioethanol (2008). Trends Biotechnol. 26, 126–131.

Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances 25, 294–306, (2007).

Cornet, J.-F.; Dussap, C.G.; Gros, J.-B. Kinetics and energetics of photosynthetic micro-organisms in photobioreactors: Application to Spirulina growth. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 59. Springer Berlin Heidelberg, (1998).

Heinrich J.M.; Trombert A. R.; Botta F. A.; Niizawa I.; Irazoqui H.A. Experimental Method to Evaluate the Optical Properties of Microalgae Suspensions. Aceptado para el 19 International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2010 and the 7 European Congress of Chemical Engineering ECCE-7. Praga, República Checa (2010).

Heinrich, J. M.; Botta, F. A.; Niizawa, I. Metodología experimental para la determinación de las propiedades ópticas de las suspensiones de algas microscópicas. XIII E.J.I. de la UNL. IV E.J.I. de Universidades de Santa Fe (2009).


James C. La Argentina y los biocombustibles de segunda y tercera generación (2009).

Melis A. Green alga hydrogen production: progress, challenges and prospects (2002). Int J Hydrogen Energy; 27:1217.

Molina Grima, E.; Acién Fernández, F. G.; García Camacho, F.; Chisti, Y. Photobioreactors: light regime, mass transfer, and scaleup. Journal of Biotechnology, 70, 1-3, 231-247 (1999).

Molina, E.; Fernández, J.; Acién, F.G., Chisti, Y. Tubular photobioreactor design for algal cultures. Journal of Biotechnology 92, 113–131, (2001).

Niizawa I.; Trombert A. R.; Heinrich J.M.; Botta, F.A; Irazoqui H.A.. Exploratory analysis of a photobioreactor for microalgae culture for different biotechnological applications. Aceptado para el 19 International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2010 and the 7 European Congress of Chemical Engineering ECCE-7. Praga, República Checa (2010).

Niizawa, I.; Botta F. A.; Heinrich, J. M. Construcción y análisis exploratorio de un Fotobiorreactor destinado al cultivo de algas microscópicas para diferentes aplicaciones biotecnológicas. XIII E.J.I. de la UNL. IV E.J.I. de Universidades de Santa Fe (2009).

Richmond, A. Handbook of Microalgal Culture: Biotechnology and Applied Phycology. First Edition. Blackwell Publishing company, (2004).

Rocha, J. M. S.; García, J. E. C.; Henriques, M. H. F. Growth aspects of the marine microalga Nannochloropsis gaditana. Biomolecular Engineering 20, 237-242, (2003).

Rodolfi, L.; Zittelli, G. C.; Bassi, N.; Padovani, G.; Biondi, N.; Bonini, G.; Tredici, M. R. Microalgae for oil: strain selection, induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a low-cost photobioreactor (2009). Biotechnol. Bioeng. 102: 100-112.

Rozemberg, R.; Saslavsky, D.; Svarzman, G. La industria de biocombustibles en Argentina (2008). Disponible en http://www.iadb.org/intal/intalcdi/PE/2009/02810a03.pdf Acceso en 22 nov. 2011.

Scragg A. H.; Illman A. M.; Carden A.; Shales S. W;. Growth of microalgae with increased calorific values in a tubular bioreactor. Biomass and Bioenergy, Volume 23, Issue 1, 67-73 (2002)

Spolaore, P.; Joannis-Cassan, C.; Duran, E.; Isambert, A. Commercial applications of microalgae. J Biosci Bioeng; 101:87–96. (2006)

<<<

71

>>> UTILIZACIÓN DE DIGESTORES ANAERÓBICOS pARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUOS ORGÁNICOS URBANOS CON ApROVECHAMIENTO ENERGéTICO DEL BIOGÁS EN FLORIANÓpOLIS, SC

Lúcio Costa Proença

RESUMEN

La administración adecuada de los residuos sólidos es uno de los mayores desafíos ambientales actuales. En un contexto de crecientes restricciones ambien-tales con respecto a los métodos de eliminación de residuos, el uso de digestores anaeróbicos para el tratamiento de los residuos orgánicos aparece como una al-ternativa prometedora. Este método promueve la estabilización de los residuos orgánicos, que corresponden a la mitad de los residuos urbanos en Brasil, sin necesidad de depositarlos en rellenos sanitarios y generando un combustible reno-vable durante el proceso: el biogás. Este trabajo presenta un estudio preliminar sobre la viabilidad de la utilización de digestores anaeróbicos para tratar la parte orgánica de los residuos sólidos urbanos en el municipio de Florianópolis, SC. El estudio consistió en una investigación bibliográfica sobre el tema, seguida de una proyección para Florianópolis compuesta de evaluación de tamaño simpli-ficada del sistema, estimativa de costos e ingresos del proyecto, y comparación entre el método propuesto y los rellenos sanitarios practicados actualmente. La evaluación de tamaño señaló la necesidad de instalar un digestor de 7.748m3, a un costo de instalación calculado en 15 millones de reales, con la posibilidad de generar 2,3 MW de energía eléctrica a partir de biogás. Se calculó un costo de tratamiento de residuos de R$121,00 por tonelada, aproximadamente, que junto con las ventajas ambientales de la digestión anaeróbica, señala la viabilidad para adoptar este método de tratamiento en el municipio analizado.

PALABRAS CLAVE: tratamiento de residuos orgánicos, digestores anaeróbi-cos, producción de biogás.

GR

AD

O


ABSTRACT

Waste management is one of the greatest challenges of our times. In the con-text of increasing environmental restrictions regarding waste disposal, the use of anaerobic digestors to treat organic waste arises as a promising alternative. This method allows the stabilization of organic waste, which represents half of the urban waste produced in Brazil, avoiding its disposal in sanitary landfills and pro-ducing a renewable energy source, i.e., biogas. This work presents a preliminary study about the feasibility of using a biogas plant to treat organic waste in the city of Florianópolis, SC. Methodology consists in bibliographic review about an-aerobic digestion, a preliminary dimensioning, costs estimation and comparison between anaerobic digestion and the current disposal methods (sanitary landfill-ing). Results of the dimensioning indicated the need of a digestor with 7,748 m3, with an estimated cost of R$15 million and with a potential to generate 2.3 MW of electricity from biogas. A treatment cost of R$121 per ton of organic waste was estimated, which indicates that, considering its environmental advantages, the Project is feasible for the city of Florianópolis.

KEYWORDS: organic waste treatment, anaerobic digestors, biogas plant, biogas production.

INTRODUCCIÓN

La administración adecuada de los residuos sólidos es uno de los mayores desafíos ambientales actuales. En el ámbito de la administración de los residuos sólidos, es necesario adoptar métodos de tratamiento que busquen recuperar los materiales descartados, reduciendo continuamente el volumen de residuos que se deben incinerar o depositar en rellenos sanitarios. Los estudios han calculado que la mitad de los residuos sólidos urbanos (RSU) generados en Brasil consiste en residuos orgánicos (IPT/CEMPRE, 2000).

La parte orgánica de los RSU básicamente se compone de restos de alimen-tos, que pueden ser degradados naturalmente por microorganismos. Cuando ese proceso de degradación ocurre en la ausencia de oxígeno, se denomina digestión anaeróbica. La digestión anaeróbica ya fue adoptada en Brasil para tratar al-gunos tipos de efluentes agropecuarios, pero su aplicación en el tratamiento de residuos urbanos todavía es incipiente. La principal ventaja de ese método está en permitir la recuperación de todos los residuos orgánicos descartados, que se transforman en un compuesto para la agricultura, generando, durante el proce-so, un combustible renovable, el biogás. Esta forma de tratamiento se acerca a

73

la idea de un ciclo cerrado en la administración de los residuos, aprovechando todos los subproductos generados durante el proceso. El tratamiento de residuos orgánicos por digestión anaeróbica ya se aplica en gran escala en países como Dinamarca, Suecia y Alemania (AL SEADI et al., 2008).

El objetivo general de este trabajo es realizar un estudio preliminar sobre la viabilidad del uso de digestores anaeróbicos para tratar la parte orgánica de los residuos sólidos urbanos en el municipio de Florianópolis, SC.

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

Residuo sólido es todo material sólido o semisólido descartado por actividades antrópicas (WEINER; MATTHEWS, 2003). Los métodos más difundidos de des-tino final de RSU consisten en los rellenos sanitarios y los incineradores. Además de estos métodos de disposición final, también se usan métodos de recuperación de residuos para evitar su disposición final, destacándose el reciclaje de materia-les y la estabilización de residuos orgánicos (transformación en abono orgánico y digestión anaeróbica).

Los residuos sólidos cuya parte orgánica es superior al 30% se denominan residuos sólidos orgánicos (CASSINI, 2003). En Brasil, los residuos orgánicos representan alrededor del 50% de los residuos urbanos recogidos (PHILIPPI JÚ-NIOR apud IPT/CEMPRE, 2000). Según Al Seadiet al. (2008), los principales tipos de residuos orgánicos son deyecciones de creación de animales, lodos resul-tantes del tratamiento de efluentes, residuos de procesos industriales y residuos orgánicos domésticos.

Según el IBGE (2002), del total de los residuos recogidos en el país (230.000 t/día), 47,1% se depositan en rellenos sanitarios, 22,3% en rellenos controlados, y 30,5% en basurales. Actualmente, en Brasil, entre las alternativas disponibles, el relleno sanitario se acepta como la destinación final de residuos más adecuada. Sin embargo, esta forma de disposición no es la solución final para el problema de destinación de los residuos. Según Weiner y Matthews (2003), los costos ope-rativos de los rellenos sanitarios aumentan continuamente, y la disponibilidad de áreas para esas instalaciones es cada vez más escasa, provocando el transporte de los residuos a distancias cada vez mayores, para su destinación. Al Seadiet al. (2008) agregan que la evolución de los estándares ambientales para la dispo-sición final de residuos, así como la necesidad de la recuperación y del reciclaje de materiales han contribuido a la búsqueda de alternativas de la disposición de residuos en rellenos sanitarios.


Digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica de la materia orgánica consiste en un proceso desa-rrollado por un conjunto de microorganismos en condiciones de ausencia de oxí-geno. Según Wiesmann et al. (2007), tres grupos de bacterias son los principales agentes de ese proceso: acidogénicas; acetogénicas; y metanogénicas. Las bacte-rias acidogénicas promueven la hidrólisis de las partículas sólidas orgánicas por la liberación de enzimas. De esta manera, los carbohidratos se transforman en monosacáridos y disacáridos, las proteínas se quiebran en los aminoácidos, y los lípidos, en ácidos grasos. Estos procesos también provocan la liberación de gas carbónico (CO2) y gas hidrógeno (H2). En la etapa acetogénica, los ácidos grasos más livianos se transforman en acetatos, CO2 y H2. En la etapa metanogénica, el H2, el CO2 y los acetatos generados en las etapas anteriores se usan en el meta-bolismo bacteriano, generando como principal subproducto el gas metano (CH4). Las bacterias metanogénicas generalmente son el factor limitante del proceso, ya que su tasa de crecimiento es menor, comparada con los otros grupos de bacterias actuantes (JØRGENSEN, 2009).

Según Al Seadiet al. (2008), los principales parámetros que intervienen en el proceso de digestión anaeróbica son: temperatura; pH; concentración de ácidos grasos volátiles; concentración de amoníaco; y disponibilidad de nutriente. Los principales parámetros operativos de los digestores son la carga orgánica y el tiempo de detención hidráulica (TDH).

Tecnologías de digestores disponibles

Según Vandevivere et al. (2003), los digestores de residuos orgánicos se pue-den clasificar en tres tipos: digestores de fase única, de fases múltiples o en lote. En los digestores de fase única, todas las etapas de la digestión ocurren en un mismo reactor, con alimentación continua de substrato. Son los tipos más comunes de digestores. Entre los sistemas de fases múltiples, la configuración más común consiste en adoptar dos fases, una para acidogénesis, seguida de otra para acetogénesis y metanogénesis. La ventaja de este sistema es la posi-bilidad de mantener óptimas condiciones operativas, diferentes para cada fase. Finalmente, en los digestores en lote, el substrato se incluye de una sola vez y pasa por todas las etapas de degradación en el mismo digestor. Este método se usa generalmente en condiciones con gran cantidad de sólidos, entre 30% y 40% (VANDEVIVERE et al., 2003).

Otra forma de clasificación es la cantidad de sólidos del substrato: baja can-tidad de sólidos (cantidad de sólidos menor que 15%) o gran cantidad de sólidos (cantidad de sólidos entre 20% y 40%). Finalmente, los digestores existentes se

75

pueden dividir, con respecto a la temperatura de operación, en mesofílicos (de 20°C a 40°C) o termofílicos (más de 40°C).

Experiencias de digestores anaeróbicos de residuos orgánicos

En las últimas décadas, varios grupos de investigación se han dedicado a opti-mizar el proceso de digestión anaeróbica de residuos orgánicos. Así, los diferentes parámetros relacionados con el proceso han sido investigados (KIM et al., 2006; CHARLES et al., 2009). Otros autores han destacado las ventajas de la codiges-tión de residuos orgánicos con lodos de estaciones de tratamiento de efluentes (ZUPANČIČ et al., 2008; SHARMA et al., 2000) y con deyecciones de animales (HARTMANN; AHRING, 2005). La codigestión permite añadir una inoculación del proceso anaeróbico (microorganismos activos) a los residuos orgánicos, per-mitiendo, también, mejor equilibrio nutricional añadiendo compuestos ricos en nutrientes (KAYHANIAN; RICH, 1995).

En términos comerciales, Europa es la región más desarrollada en la apli-cación de digestores anaeróbicos para el tratamiento de residuos sólidos. Ese liderazgo resulta de las crecientes restricciones ambientales de disposición de residuos orgánicos en rellenos, así como de los estímulos para la producción de energías renovables. Según De Baere y Mattheeuws (2010), la capacidad instala-da en Europa a fines de 2010 estaba calculada en 6.000.000 t/año, divididas en aproximadamente 200 plantas de biogás distribuidas en 17 países europeos. Se constata que se ha observado un aumento en la adopción de este tipo de tecnolo-gía desde el comienzo de la década del 90, mostrando en los últimos cinco años un promedio de 15 plantas nuevas instaladas por año, con capacidad promedio de tratamiento de 30.000 t/año por planta. Considerando las características de las plantas instaladas en los últimos cinco años, los autores destacan que las plantas termofílicas representan alrededor del 40%; los digestores de fase única predo-minan en el 95% de las plantas; y los digestores con gran cantidad de sólidos equipan el 60% de las plantas de biogás.

En Brasil, la experiencia acumulada en lo que se refiere al tratamiento de RSU en digestores anaeróbicos todavía es limitada, compuesta, sobre todo, de trabajos académicos sobre el tema (LEITE et al., 2003, 2009) y estudios de via-bilidad (REICHERT; SILVEIRA, 2005).

Aspectos económicos

El tratamiento de residuos orgánicos por medio de digestores anaeróbicos ge-nera dos subproductos valorizados económicamente: el compuesto estabilizado y el biogás. La viabilidad del uso de la digestión anaeróbica para tratar residuos or-


gánicos todavía depende bastante de los incentivos gubernamentales que apoyan esta opción. Por ese motivo, la viabilidad económica de la adopción de digestores anaeróbicos varía significativamente entre países y regiones.

Experiencias relatadas en la literatura (AND INTERNATIONAL, 2004; MO-RIN et al., 2010; COELHO, 2001) señalan que, desde el punto de vista puramente económico, el uso de digestores anaeróbicos en el tratamiento de los residuos or-gánicos no suele ser una opción atractiva, al compararla con otras alternativas de tratamiento y disposición, tales como el relleno sanitario, la transformación en abo-no orgánico y la incineración. Pero cuando el análisis de viabilidad se realiza bajo condiciones más amplias, incluyendo, por ejemplo, variables energéticas, sociales y ambientales, el uso de digestores anaeróbicos llega a tener grandes ventajas.

En Brasil, para un proyecto denominado Ecoparque, Reichert et al. (2004) realizaron un análisis multicriterio para comparar cuatro alternativas de dispo-sición de los residuos orgánicos del municipio de Porto Alegre, RS: relleno sa-nitario; incinerador; reactor de plasma; y digestor anaeróbico. Para eso, se creó una matriz de decisión, atribuyendo puntuaciones de importancia a los diferentes criterios considerados. La matriz final señaló la opción de digestión anaeróbica como solución más favorable, con gran diferencia de puntuación con respecto a las otras tecnologías consideradas. En este análisis, las ventajas que más desta-caron la opción de los digestores anaeróbicos sobre las otras alternativas son la posibilidad de recuperación de masa, la creación de empleos, la baja generación de pasivo ambiental y el bajo riesgo operativo. Se puede observar que sus mayores ventajas no están en las variables económicas (costos de instalación y operación), pero, conjugadas con otras variables, convierten a la opción de digestión anaeró-bica en la más indicada para el caso expuesto.

El comienzo de la vigencia del Protocolo de Kyoto, en 2005, también abrió la posibilidad de venta de proyectos brasileños de Reducción de Emisiones Certifi-cadas de gases del efecto invernadero (GEE) para países con metas de reducción (CGEE, 2008). La quema de metano es una de las formas previstas de reducción de emisiones. En el caso de digestores anaeróbicos para tratamiento de residuos, hay una doble posibilidad de ganancia, tanto por la recuperación y quema de prácticamente 100% del gas metano generado, como por la sustitución de com-bustible fósil por combustible renovable, o sea, biogás, ya que el aprovechamiento energético del biogás evitaría emisiones de GEE.

Aspectos ambientales

En las últimas dos décadas, se realizaron varios estudios con el objetivo de destacar los aspectos ambientales de las plantas de biogás. Más recientemente, los estudios de análisis de ciclo de vida de este tipo de instalación han contribuido

77

a la cuantificación de esos aspectos. Esos estudios han indicado que la sustitu-ción de sistemas convencionales de generación de energía y manejo de residuos por sistemas de biogás tiende a amenizar directamente varios problemas am-bientales actuales, tales como cambios climáticos, eutrofización, acidificación y contaminación atmosférica. También se verifica que el uso de residuos tales como los provenientes de estaciones de tratamiento de efluentes, mataderos, criaderos de animales y residuos alimenticios, para la producción de biogás presenta una demanda energética generalmente inferior al 30% de la energía contenida en el biogás, demostrando la sostenibilidad energética de ese proceso (BERGLUND; BÖRJESSON, 2006).

METODOLOGíA

La metodología adoptada se basa principalmente en las recomendaciones con-tenidas en el manual de Deublein y Steinhauser (2008).

producción de residuos orgánicos en Florianópolis

A partir de Comcap (2002), se obtuvieron los valores de la producción anual de residuos sólidos per capita y la parte orgánica de los residuos urbanos del mu-nicipio de Florianópolis. Esos datos se usaron en la evaluación del tamaño de los digestores del proyecto, que, en este estudio, se denomina Proyecto Florianópolis.

Adoptando un horizonte de proyecto de 10 años, se calculó la cantidad anual de residuos con base en dos parámetros: producción diaria per capita de residuos (COMCAP, 2002); y proyección demográfica para la ciudad de Florianópolis para el periodo considerado (CAMPANÁRIO, 2007). La multiplicación de la producción per capita de residuos por 365 días/año y por la población del año correspondiente dio como resultado la cantidad relativa a la masa de residuos producida cada año.

Evaluación del tamaño de los digestores

La evaluación del tamaño del digestor se realizó con base en el valor de la producción anual de residuos sólidos en el municipio de Florianópolis. De ese va-lor, se calculó la parte orgánica, obteniéndose un valor de la producción anual de residuos orgánicos de Florianópolis (PRO). Ese valor corresponde a la cantidad de substrato que abastecerá al digestor.

Según Deublein y Steinhauser (2008), los residuos orgánicos domésticos sue-len tener una cantidad de sólidos del 20% aproximadamente. Ese parámetro co-


rresponde a los sólidos totales presentes en el substrato. Su valor anual se calcula según la Ecuación 1.

, (Ec. 1)

donde:ST – sólidos totales (t/año); yPRO – producción anual de residuos sólidos (t/año).

De los sólidos presentes en el substrato, sólo la parte orgánica está sujeta al proceso de degradación anaeróbica en el digestor. Esa parte normalmente corres-ponde al 85% (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008), como ilustra la Ecuación 2.

, (Ec. 2)

donde:PO – parte orgánica de los sólidos (t/año); yST – sólidos totales (t/año).

La eficiencia de sistemas anaeróbicos se suele calcular con base en datos de DQO. Para residuos orgánicos, la DQO se puede calcular según la relación DQO/PO=1,15 kg/kg. La DQO anual entonces se calculó según la Ecuación 3.

, (Ec. 3)

donde:DQO – demanda química de oxígeno (t/año); yPO – parte orgánica de los sólidos (t/año).

El cálculo del volumen necesario para el digestor depende del volumen de substrato a introducir. Por el hecho de que los residuos orgánicos presentan una cantidad de sólidos del 20% aproximadamente, es necesaria una dilución inicial, para que el substrato adquiera una cantidad de sólidos del 17% aproximadamen-te (cantidad de sólidos requerida por la tecnología considerada). Esa dilución se puede hacer con recirculación de un efluente del propio sistema. La cantidad de líquido a añadir al substrato (considerando la cantidad de sólidos como cercana a cero) se puede calcular según la Ecuación 4.

, (Ec. 4)

79

donde:Ldilución – cantidad de líquido de dilución (t/año);ST – sólidos totales (t/año); yPRO – volumen anual de residuos sólidos producidos (m3/año).

La cantidad total de substrato alimentada anualmente al digestor correspon-de, por lo tanto, a la suma de los residuos orgánicos producidos con el líquido de dilución (PRO + Ldilución). Considerando que el peso específico del substrato es igual al peso específico del agua (1 t/m3), el valor de la masa de substrato calcu-lada (en t/año) corresponde al volumen de substrato (m3/año), denominado Vs. El volumen del digestor, entonces, se calcula según la Ecuación 5.

, (Ec. 5)

donde:Vdigestor – volumen del digestor (m3);Vs – volumen diario de substrato (m3/día); yTDH – tiempo de detención hidráulica (días).

Estimativa de producción de biogás

Conociendo la cantidad de DQO del substrato, se puede calcular la producción anual de biogás. Para eso, se considera una eficiencia de conversión de DQO en metano del 85% y la relación Nm3CH4/kg DQO=0,35 (Ecuación 6).

, (Ec. 6)

donde:Vmetano – volumen anual de metano producido (Nm3/año); yDQO – demanda química de oxígeno (kg/año).

Cada metro cúbico de metano corresponde a 9,94 kWh de energía. Conside-rando el volumen horario de metano producido por el sistema, se puede calcular el potencial energético del biogás producido, de acuerdo con la Ecuación 7.

, (Ec. 7)

donde:PE – potencial energético (kW); yVmetano – volumen horario de metano producido (Nm3/h).


Del potencial energético calculado, sólo una parte se puede aprovechar efec-tivamente como energía térmica o eléctrica. Ese valor depende de la tecnología de conversión adoptada. Para la tecnología de turbinas a gas, por ejemplo, la efi-ciencia de conversión puede llegar al 40%, o sea, el 40% de la energía primaria se convierte en electricidad. En el caso de adoptar tecnologías de cogeneración (aprovechamiento eléctrico y térmico), hasta el 50% de la energía se puede apro-vechar en forma de calor (producción de vapor). Para esta configuración, consi-derando turbinas a gas, se puede aprovechar hasta el 90% de la energía, de los cuales el 50% en forma térmica y el 40% en forma eléctrica, mientras el 10% se perderían en los procesos del sistema.

Según Deublein y Steinhauser (2008), la energía consumida por una planta de biogás, en las etapas de calentamiento del substrato, agitadores, bombeo, entre otras, corresponde del 20% al 30% de la energía producida por la planta al que-mar el biogás.

Estimativa de costos e ingresos

Los costos de instalación del Proyecto Florianópolis fueron calculados de ma-nera simplificada, con base en el método presentado por Deublein y Steinhauser (2008). Los autores presentan valores de referencia para la estimativa de costos de plantas de biogás, referentes a las inversiones en el digestor (obras civiles y equipos electromecánicos) y en el conjunto motor/generador, para el aprovecha-miento energético del biogás. Esos valores corresponden a la realidad alemana de ese tipo de tecnología. Para considerar los costos de importación y adaptaciones necesarias para la realidad brasileña, se añadió un factor de seguridad del 30% al valor total calculado.

Los costos de operación del Proyecto Florianópolis se calcularon con base en los costos de operación del Proyecto Ecoparque (REICHERT et al., 2004). Reichert et al. (2004) presentan los costos de operación del Proyecto Ecoparque, adaptado para recibir todos los residuos urbanos del municipio de Porto Alegre, realizar su clasificación y tratar la parte orgánica utilizando digestores anaeró-bicos, con aprovechamiento energético del biogás para la producción de energía eléctrica. Por las dificultades para calcular los costos de operación de este tipo de proyecto, que probablemente no tiene ninguna aplicación a escala comercial en Brasil, y con el objetivo de establecer el tamaño de esos costos, se consideró que los costos de operación serían directamente proporcionales a la capacidad de tratamiento del proyecto. De esta manera, siendo el Proyecto Florianópolis adap-tado a una capacidad de tratamiento correspondiente al 44,3% de la capacidad del Proyecto Ecoparque, sus costos de operación representarían el 44,3% de los costos del Proyecto Ecoparque.

81

Se destaca que el costo estimado a partir de los valores presentados por Rei-chert et al. (2004) corresponde a la adopción de todos los equipos y procesos previstos para el tratamiento de RSU del Proyecto Ecoparque, tales como pro-cesos de clasificación y separación (separación manual, filtro rotativo, separador electromagnético), pretratamiento (trituración, separador balístico) y post tra-tamiento (prensa, centrífuga, transformación en abono orgánico, maduración).

Para calcular los ingresos de operación del Proyecto Florianópolis, se han encontrado en la literatura posibles destinos para los subproductos generados en la digestión anaeróbica, considerando el compuesto, el efluente y el biogás. Se ha llegado a la conclusión de que las opciones de destino más factibles para el municipio de Florianópolis serían:

a) compuesto: estabilización de la parte sólida resultante del proceso mediante la transformación en abono orgánico y venta de ese compuesto como fertilizante agrícola. El precio adoptado corresponde al precio practicado por el Departamento Municipal de Limpieza Urbana (DMLU), que vende el compuesto proveniente de la estabilización de residuos orgánicos de la región de Porto Alegre;

b) efluente: tratamiento del efluente en ETE (estación de tratamiento de efluentes) y posterior lanzamiento en un cuerpo receptor. Se destaca que sería posible dirigir los efluentes para usos agrícolas, aprovechando sus nutrientes, a pesar de que esta opción no fue considerada en el Proyecto Florianópolis, porque exige mayor control de la calidad de los efluentes, además de mayor organización logística para el transporte de esos efluentes para las zonas rurales. Los efluentes, por lo tanto, no producirán ingresos en este proyecto; y

c) biogás: producción de energía eléctrica mediante un conjunto motor/generador, permitiendo una conversión del 40% de la energía presente en el biogás en energía eléctrica. La energía producida sería vendida por el Programa Proinfa (Programa de Incentivo a las Fuentes Alternativas de Energía Eléctrica, del Gobierno Federal), como energía producida a partir de biomasa, adoptando los valores pagos por energía producida presentados por Reichert et al. (2004).

Comparación de costos entre digestores anaeróbicosy rellenos sanitarios

Con el objetivo de comparar los costos asociados a la adopción de digestores con la alternativa de disposición de residuos practicada actualmente en Floria-nópolis, o sea los rellenos sanitarios, se realizó un balance entre los costos y los ingresos de operación del Proyecto Florianópolis. La diferencia entre los costos


y los ingresos anuales del proyecto corresponde al déficit para que el proceso de tratamiento tenga sostenibilidad financiera. Dividiendo ese déficit por la capaci-dad de tratamiento anual del Proyecto, se obtiene el valor mínimo a cobrar como arancel de tratamiento de residuos orgánicos en Florianópolis. El valor de ese arancel se puede comparar directamente con el valor actualmente pago por el municipio de Florianópolis para disponer sus residuos en el relleno de Biguaçu, obtenido en la Secretaría de Habitación y Saneamiento Ambiental del municipio de Florianópolis.

DESARROLLO

El desarrollo de las etapas descritas en la metodología se presenta en los ítems subsecuentes.

producción de residuos orgánicos en Florianópolis

Para la estimativa de la producción anual de residuos sólidos orgánicos se consideró que tanto la producción per capita de RSU como el valor de su parte orgánica se iban a mantener constantes durante el horizonte del proyecto, esta-blecido en 10 años. El aumento en el volumen de residuos, por lo tanto, ocurre solamente por el aumento demográfico en el periodo. La Tabla 1 ilustra los datos de entrada y el resultado de la estimativa de producción anual de residuos sólidos orgánicos. Como se puede observar, se calcula una producción anual de residuos orgánicos de aproximadamente 86.000 t/año en 2021.

Evaluación del tamaño de los digestores y potencial energético

Los parámetros adoptados para la evaluación del tamaño del digestor y para el cálculo del potencial energético están presentados en la Tabla 2. Los parámetros adoptados se basan tanto en valores retirados de la literatura técnica como en valores empíricos practicados por ingenieros proyectistas de plantas de biogás.

Los parámetros calculados se presentan en la Tabla 3. Con un volumen de digestor necesario de 7.748 m3, se verifica que se puede tratar todo el volumen orgánico producido en un solo reactor, construido en acero o en concreto, con forma cilíndrica y con tamaño aproximado de 12 m (altura) x 29 m (diámetro).

83

Tabla 1 – Estimativa de producción anual de residuos sólidos orgánicos (2011 a 2021)

añoProducción

per capita de RSU

Parte orgánica de

los RSU

Proyección demográfica

Producción de residuos orgánicos

Producción de residuos orgánicos

- kg/d % habitantes t/día t/año

2011 0,77 46,35 538.519 192 70.151

2012 0,77 46,35 551.319 197 71.819

2013 0,77 46,35 564.120 201 73.486

2014 0,77 46,35 576.920 206 75.153

2015 0,77 46,35 589.720 210 76.821

2016 0,77 46,35 601.768 215 78.390

2017 0,77 46,35 613.815 219 79.960

2018 0,77 46,35 625.863 223 81.529

2019 0,77 46,35 637.910 228 83.098

2020 0,77 46,35 649.958 232 84.668

2021 0,77 46,35 661.012 236 86.108

Tabla 2 – Parámetros adoptados en la evaluación del tamaño del digestor

Parámetros adoptados Unidad Valor ObservacionesProducción de residuos orgánicos

(PRO)t/año 86.000 Comcap (2002)

Sólidos totales (ST) % 20Deublein y

Steinhauser (2008)

Parte orgánica (PO/ST) % 85Deublein y

Steinhauser (2008)

DQO/PO kg/kg 1,15

Producción de metano por DQO degradada

Nm3CH4/Kg DQO 0,35

Eficiencia de conversión de DQO (Ef)

% 85

Cantidad de CH4 en el biogás % 55Deublein y

Steinhauser (2008)

Potencial energético del CH4 kWh/Nm3CH4 9,94

Eficiencia de conversión de metano en energía eléctrica

% 40considerando turbinas

a gas

Sólidos totales del substrato en el reactor

% 17

Tiempo de detención hidráulica (TDH)

días 28Deublein y

Steinhauser (2008)


El volumen de metano producido y el potencial energético se calcularon según la metodología adoptada, y los resultados están resumidos en la Tabla 3. Según Deublein y Steinhauser (2008), los actuales métodos de recuperación de energía del biogás permiten aprovechar hasta el 90% de la energía contenida en ese com-bustible, con la posibilidad de convertir el 40% en energía eléctrica y el 50% en energía térmica. Como el clima en Florianópolis no exige sistemas de calefacción en edificios, se podría aprovechar la energía térmica en procesos industriales, aunque esa opción no fue considerada en el Proyecto Florianópolis debido a las dificultades de calcular los costos e ingresos inherentes a esa opción.

Tabla 3 – Parámetros calculados en el Proyecto Florianópolis

Parámetros calculados Unidad ValorST t/año 17.200

PO t/año 14.620

DQO t/año 16.813

Ldilución t/año 15.000

Vdigestor m3 7.748

Vmetano Nm3/año 5.001.868

Potencial energético kW 5.676

Potencial eléctrico (40%) kW 2.270

Potencial térmico (50%) kW 2.838

Mientras el potencial de energía eléctrica sería suficiente para abastecer aproximadamente 5.100 residencias en Florianópolis, considerando el consumo promedio de 325,7 kWh/mes, según Fedrigo et al. (2008). Sin embargo, se debe descontar el consumo de energía eléctrica de la propia planta, aproximadamente el 20% de la energía producida. En ese caso, la potencia eléctrica disponible para venta sería de 1.816kW, lo suficiente para abastecer aproximadamente 4.070 residencias.

Estimativa de costos e ingresos

Con el objetivo de comparar los costos entre la disposición final de residuos en un relleno y el uso de digestores en el municipio de Florianópolis, se realizó un análisis de los costos simplificado tomando como base los estudios de Reichert et al. (2004) y de Deublein y Steinhauser (2008). Se evaluaron los costos de insta-lación y de operación.

Se calcularon los costos de instalación referentes a la adopción del proceso de digestión anaeróbica de los residuos orgánicos, utilizando los datos presentados por Deublein y Steinhauser (2008). Los autores presentan valores de referen-

85

cia para la estimativa de costos de plantas de biogás. La Tabla 4 presenta los valores de referencia para las inversiones en el digestor (obras civiles y equipos electromecánicos) y en el conjunto motor/generador, para el aprovechamiento energético del biogás.

Tabla 4 – Valores de referencia para estimativa de costos según Deublein y Stein-hauser (2008)

Parámetro Unidad ValorInversión en el digestor (40% equipos) US$/m3 300 - 500

Inversión en el conjunto motor/generador US$/kWel 650 – 1.300

Para calcular los costos del Proyecto Florianópolis, se adoptaron los valores más conservadores presentados en la Tabla 4 (500 US$/m3 y 1.300 US$/kWel). Al valor total de inversión calculado para el proyecto se añadió un factor de segu-ridad de 30%, referente a incertidumbres y a los posibles costos de importación de equipos. La Tabla 5 presenta los resultados completos. La estimativa de los costos de instalación de una planta de biogás en el municipio de Florianópolis señaló inversiones de aproximadamente 15 millones de reales, referentes a las inversiones en obras civiles y equipos electromecánicos para el digestor y para la unidad de producción de energía eléctrica.

Tabla 5 – Costos de instalación del Proyecto Florianópolis

Parámetro Unidad ValorInversión en obras civiles R$ 3.904.964,38

Inversión en equipos R$ 2.603.309,59

Inversión en el conjunto motor/generador R$ 4.958.234,77

Subtotal R$ 11.466.508,74

Total (añadido el 30%) R$ 14.906.461,37

Cotización del 11/01/2011: US$ 1,00 = R$ 1,68

Por la dificultad de calcular los costos de operación de un proyecto de diges-tión anaeróbica de residuos sólidos en Florianópolis, se optó por tomar como base los valores calculados por Reichert et al. (2004), que lo hicieron de manera con-servadora. La Tabla 6 muestra el detalle de los costos de operación del Proyecto Ecoparque. No obstante, estos costos abarcan varios otros procesos que no for-man parte del ámbito del Proyecto Florianópolis, ya que el Proyecto Ecoparque fue adaptado para recibir todos los residuos urbanos del municipio de Porto Ale-gre, incluyendo equipos y mano de obra para realizar la separación y clasificación de los diferentes tipos de residuos en el lugar.


A partir del costo total presentado en la Tabla 6, se admitió que los costos de operación de un proyecto análogo al Ecoparque en el municipio de Florianópolis serían directamente proporcionales a la capacidad de tratamiento de los pro-yectos. De esta manera, con el Proyecto Ecoparque adaptado a una capacidad de tratamiento de 420.000 tRSU/a y la producción de residuos en Florianópolis equivalente a 186.000 tRSU/a, el costo de operación de esa alternativa en Floria-nópolis representaría el 44,3% del costo de instalación del Proyecto Ecoparque.

Tabla 6 – Costos de operación del Proyecto Ecoparque

Ítem Costo total (R$/mes)Mano de obra 1.061.828,00

Costos administrativos 106.182,80

Despojos p/ relleno (transporte y disposición)

985.000,00

Energía eléctrica 82.014,00

Tratamiento lixiviado 34.920,00

Mantenimiento estructura 28.400,63

Mantenimiento equipos 183.867,63

Total 2.482.213,06

La Tabla 7 muestra los costos de operación calculados para el Proyecto Floria-nópolis. Se destaca que los costos de operación están sobrevalorados. Esto resulta del hecho de que el Proyecto Ecoparque ha sido adaptado para recibir todos los RSU del municipio de Porto Alegre, implicando costos sobrevalorados si com-parados con un proyecto solamente de digestión anaeróbica, con la consecuente reducción de costos de mano de obra, disposición en relleno y mantenimiento de equipos. Aun con estas limitaciones, se optó por este método de estimativa de cos-tos de operación por el hecho de ser conservador y por considerar la legislación laboral brasileña.

Tabla 7 – Estimativa de costos de operación del Proyecto Florianópolis a partir de los costos del Proyecto Ecoparque

Proyecto Capacidad (t/a) Proporción Costos de operación (R$/año)Ecoparque 420.000 100,0% 29.786.556,71

Florianópolis 186.000 44,3% 13.191.189,40

Los métodos de estimativa de costos aquí descritos presentan limitaciones, pues, atendiendo a los objetivos del estudio, sólo tienen el objetivo de establecer el volumen de las inversiones necesarias para la adopción de la tecnología de di-gestión anaeróbica en el municipio de Florianópolis.

87

Los proyectos de digestión anaeróbica suelen generar ingresos provenientes del aprovechamiento económico de los subproductos producidos. En este estudio, se consideraron como subproductos con posibilidad de aprovechamiento económico el compuesto resultante de la parte sólida del proceso de digestión y el biogás.

El ingreso proveniente de la venta del compuesto para su uso como fertilizante agrícola tomó como base el precio practicado por la empresa DMLU (Porto Ale-gre, RS), que vende los subproductos generados por la transformación de residuos domésticos en abono orgánico a R$30,00 por tonelada de compuesto.

La producción de energía eléctrica por la quema del biogás fue la forma de aprovechamiento energético considerada para el Proyecto Florianópolis. Se ad-mitió que la energía producida sería vendida como energía de fuente de bioma-sa dentro del programa Proinfa, del Gobierno Federal. Segundo Reichert et al. (2004) el precio practicado por energía de biomasa en el Programa Proinfa es de R$169,08 por MWh producido. La Tabla 8 muestra el detalle de la estimativa de ingresos anuales del Proyecto Florianópolis.

A partir del conocimiento de los costos e ingresos del Proyecto, se puede esta-blecer el precio mínimo a cobrar por el tratamiento de los residuos orgánicos, de manera que el proyecto sea económicamente sostenible. La Tabla 9 resume esos resultados.

Tabla 8 – Ingresos operativos del Proyecto Florianópolis

Ítem Cantidad(t/a)

Costo unitario(R$/t)

Ingreso total(R$/año)

Compuesto estabilizado (precio DMLU)

3.088 30,00 92.652,35

Ítem Cantidad(MWh/a)

Costo unitario(R$/MWh)

Ingreso total(R$/año)

Energía eléctrica (biogás) excl. 20% de consumo de la planta

(PROINFA)15.910 169,08 2.690.052,68

Comparación de costos entre digestores anaeróbicos y rellenos sanitarios

Se verifica que, para que el tratamiento de los residuos orgánicos tenga sos-tenibilidad financiera, se debe cobrar un arancel mínimo de R$121,03 por tone-lada de residuos tratados. Ese valor se puede comparar con el valor actualmente practicado por el municipio de Florianópolis para disponer sus residuos en el relleno sanitario de Biguaçu, equivalente a R$107,79 por tonelada (valor vigente en octubre de 2010, según lo informado por la Secretaría de Habitación y Sanea-miento Ambiental de Florianópolis).


Tabla 9 – Cálculo del arancel mínimo a cobrar por el tratamiento de residuos del Proyecto Florianópolis

Parámetro ValorCostos de operación (R$/año) -13.191.189,40

Venta de energía eléctrica a la red (R$/año) 2.690.052,68

Venta de compuesto orgánico (R$/año) 92.652,35

Total -10.408.484,37

Residuos orgánicos tratados (t/año) 86.000

Precio mínimo de tratamiento (R$/t) 121,03

En un primer análisis, se verifica que los costos de la digestión anaeróbica superan aproximadamente un 13% los costos de la disposición en rellenos sanita-rios, con la posibilidad de considerar la opción como inviable económicamente si se analiza solamente desde el punto de vista contable. No obstante, se discute que hay, como mínimo, dos razones para considerar que el uso de digestores anaeró-bicos puede tener un precio competitivo comparado con el relleno sanitario, tal vez no actualmente, pero sí en un futuro muy cercano.

La primera razón consiste en el hecho de que la mayor parte de los equipos y tecnologías para la implantación de proyectos de digestores anaeróbicos de resi-duos es importada. Esto ocurre porque esa tecnología todavía no es ampliamente difundida en Brasil. Sin embargo, se puede prever un aumento en la cantidad de proyectos y el consecuente desarrollo de una industria nacional dedicada a la di-gestión anaeróbica de residuos, porque la Política Nacional de Residuos Sólidos del país, aprobada en 2010, establece que los residuos sólidos orgánicos deben pasar por el proceso de transformación en abono orgánico con posterior uso de su compuesto (evitando su disposición final), además de prever el aprovechamiento energético de residuos, cuando sea comprobada su viabilidad técnica y ambiental (BRASIL, 2010). A eso se suma el creciente incentivo a la producción de energías renovables, que condice con el papel de liderazgo que Brasil ha ejercido en lo que se refiere al combate contra los cambios climáticos, especialmente con la sanción de la Política Nacional sobre Cambio del Clima (BRASIL, 2009).

La segunda razón consiste en la tendencia al aumento de los costos de la dispo-sición de residuos en rellenos sanitarios, motivada principalmente por la dificultad de encontrar terrenos propicios para esa actividad y por las crecientes exigencias técnicas impuestas por los órganos ambientales para minimizar los impactos de esa actividad (WEINER; MATTHEWS, 2003). En Florianópolis, este argumento queda todavía más fuerte cuando se compara el arancel actual (R$107,79 por to-

89

nelada) con el arancel establecido en 2004, equivalente a R$68,50 por tonelada (SMHSA, 2009), lo que representa un aumento del 57% en seis años.

Finalmente, los beneficios ambientales inherentes a la digestión anaeróbica de residuos superan mucho a los beneficios de la disposición en rellenos sanitarios, convirtiendo a aquella alternativa en un método atractivo de tratamiento de resi-duos desde el punto de vista económico y ambiental.

CONCLUSIÓN

Este trabajo tuvo el objetivo de realizar un estudio preliminar sobre la viabili-dad del uso de digestores anaeróbicos para tratar los residuos orgánicos urbanos en el municipio de Florianópolis, SC.

Se realizó una evaluación simplificada del tamaño de un sistema de digestión anaeróbica para el tratamiento de residuos orgánicos del municipio de Floria-nópolis. Para tratar 86.000 t/a (cantidad de residuos orgánicos calculada para 2021), sería necesario un digestor de 7.748 m3. Las estimativas de costo de instalación de esa tecnología señalaron una inversión de aproximadamente 15 millones de reales. Mientras los costos de operación calculados son de aproxima-damente 13 millones de reales por año.

La producción de metano calculada corresponde a 5.000.000 Nm3CH4/año, equivalente a un potencial de producción de energía eléctrica de 2,3 MW. En caso de que la energía eléctrica producida sea vendida dentro del programa Proinfa, se calculó un ingreso anual de 2,7 millones de reales. La venta del compuesto esta-bilizado produciría un ingreso anual de 90 mil reales. Los costos de tratamiento de residuos por la nueva planta se calcularon en R$121 por tonelada de residuo, valor 13% mayor que el arancel pago actualmente por el municipio de Florianó-polis para enterrar sus residuos en el relleno sanitario de Biguaçu (R$107,79 por tonelada).

La evaluación de tamaño simplificada propuesta y las estimativas de produc-ción de biogás y de los costos asociados a esa opción pretenden servir como pri-mera reflexión sobre la aplicación de esa tecnología en el municipio de Florianó-polis. Los valores calculados señalan la viabilidad de la adopción de digestores anaeróbicos en Florianópolis, con el objetivo de disminuir la cantidad de residuos destinados al relleno sanitario y promover la recuperación de residuos y la pro-ducción de energía renovable.



AL SEADI, T. et al. Biogas handbook. Biogas for Eastern Europe project, University of Southern Denmark, Esbjerg, 2008. Disponible en: <http://www.big-east.eu/downloads/IR-reports/ANNEX%202-39_WP4_D4.1_Master-Handbook.pdf>. Acceso en: 5 feb. 2010.

AND INTERNATIONAL. Le marché de la méthanisation en France: hypothèses d´évolution à 5 et 10 ans. Presentación de Power Point, Gaz de France y Ademe, 2004.

BERGLUND, M.; BÖRJESSON, P. Assessment of energy performance in the life cycle of biogas production. Biomass & Bioenergy, v. 30, n. 3, p. 254-266, 2006.

BRASIL. Ley No 12.187, de 29/12/2009. Instituye la Política Nacional sobre Cambios del Clima - PNMC y da otras disposiciones. Disponible en: <http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_Ato2007-2010/2009/Lei/L12187.htm>. Acceso en: 18 de enero 2011.

BRASIL. Ley No 12.305, de 02/08/2010. Instituye la Política Nacional de Residuos Sólidos; modifica la Ley N 9.605, de 12 de febrero de 1998; y da otras disposiciones. Disponible en: < http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_ato2007-2010/2010/lei/l12305.htm>. Acceso en: 18 de enero 2011.

CASSINI, S. T. (Coord.). Digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos e aproveitamento de biogás. Projeto PROSAB, Rio de Janeiro, 2003.

CAMPANÁRIO, P. Florianópolis: dinâmica demográfica e projeção da população por sexo, grupos etários, distritos e bairros (1950-2050). Instituto de Planejamento Urbano de Florianópolis (IPUF), Prefeitura de Florianópolis, 2007.

CHARLES, W.; WALKER, L.; CORD-RUWISCH, R. Effect of pre-aeration and inoculums on the start-up of batch thermophilic anaerobic digestion of municipal solid waste. Bioresource Technology, v. 100, n. 16, p. 2329-2335, 2009.

CGEE. Manual de capacitação sobre mudança do clima e projetos de mecanismo de desenvolvimento limpo. Brasília: Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2008.

COELHO, S. T. Geração de energia a partir do biogás gerado por resíduos urbanos e rurais. Centro Nacional de Referência em Biomassa, Nota Técnica VII, Florianópolis, 2001.

COMCAP. Caracterização física dos resíduos sólidos urbanos de Florianópolis. Companhia de Melhoramentos da Capital, Informe Final, Florianópolis, 2002.

91

DE BAERE, L.; MATTHEEUWS, B. Anaerobic digestion of MSW in Europe. BioCycle, v. 51, n. 2, p. 24-26, 2010. Disponible en: <http://www.ows.be/pub/Biocycle.scan.pdf>. Acceso en: 18 de junio 2010.

DEUBLEIN, D.; STEINHAUSER, A. Biogas from waste and renewable resources. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008.

FEDRIGO, N.S.; GONÇAVES, G.; Figueredo, P.L. Avaliação do consumo energético no setor residencial brasileiro– Florianópolis. Relatório de iniciação científica (Engenharia Civil), Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2008.

IBGE. Pesquisa nacional de saneamento básico 2000. Publicación del Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, Rio de Janeiro, 2002.

IPT/CEMPRE. Lixo municipal: manual de gerenciamento integrado. 2. ed. Coordenação: Maria Luiza Otero D’Almeida, André Vilhena. São Paulo, 2000.

JØRGENSEN, P. J. Biogas: green energy. 2.ed. PlanEnergy and Researcher for a Day- Faculty of Agricultural Sciences, Aarhus University, 2009.

HARTMANN, H.; AHRING, B. K. Anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste: influence of co-digestion with manure. Water Research, v. 39, n. 8, p. 1543-1552, 2005.

KAYHANIAN, M.; RICH, D. Pilot-scale high solids thermophilic anaerobic digestion of municipal solid waste with an emphasis on nutrient requirements. Biomass and Bioenergy, v. 8, n. 6, p. 433-444, 1995.

KIM, J. K. et al. Effects of temperature and hydraulic retention time on anaerobic digestion of food waste. Journal of Bioscience and Bioengineering, v. 102, n. 4, p. 328-332, 2006.

LEITE, V. D.et al. Tratamento anaeróbio de resíduos sólidos orgânicos com alta e baixa concentração de sólidos. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v. 13, n. 2, p. 190-196, 2009.

LEITE, V. D.et al. Tratamento de resíduos sólidos de centrais de abastecimento e feiras livres em reator anaeróbio de batelada. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v. 7, n. 2, p. 318-322, 2003.

MORIN, P. et al. Economic and environmental assessment on the energetic valorization of organic material for a municipality in Quebec, Canadá. Applied Energy, v. 87, n. 1, p. 275-283, 2010.


REICHERT, G.A. et al. (Coord.). Estudo de viabilidade e sustentabilidade Projeto Ecoparque: relatório final.Porto Alegre: Convênio DMLU, CGTEE e Eletrobras, 2004.

REICHERT, G.A.; SILVEIRA, D. A. Estudo de viabilidade da digestão anaeróbia de resíduos sólidos urbanos com geração de energia. 23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Anais... Campo Grande, 2005.

SHARMA, V. K. et al. Inclined-plug-flow type reactor for anaerobic digestion of semi-solid waste. Applied Energy, v. 65, n. 1-4, p. 173-185, 2000.

SMHSA. Plano Municipal Integrado de Saneamento Básico – Produto 7: Diagnóstico do setor de resíduos sólidos. Prefeitura Municipal de Florianópolis, Secretaria de Habitação e Saneamento Ambiental. Florianópolis, 2009. Disponible en: <http://portal.pmf.sc.gov.br/arquivos/arquivos/pdf/19_07_2010_18.20.18.20e5a287c0cef6669f612d8d622c0397.pdf>. Acceso en: 18 de enero 2011.

VANDEVIVERE, P.; DE BAERE, L.; VERSTRAETE, W. Types of anaerobic degesters for solid waste. In MATA-ALVAREZ, J. (Editor). Biomethanization of organic fraction of municipal solid waste.IWA Publishing, 2003.

WEINER, R. F.; MATTHEWS, R. A. Environmetal engineering.4. ed. Elsevier Science, 2003.

WIESMANN, U.; CHOI, I. S.; DOMBROWSKI, E.-M. Fundamentals of biological wastewater treatment. Weinheim: WILEY-VCHVerlag GmbH & Co. KGaA, 2007.

ZUPANČIČ, G. D.; URANJEK-ŽEVART, N.; ROŠ, M. Full-scale anaerobic co-digestion of organic waste and municipal sludge. Biomass and Bioenergy, v. 32, n. 2, p. 162-167, 2008.

<<<

93

>>> USO DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS pARA LA ELECTRIFICACIÓN RURAL EN EL NORTE ARGENTINO, EN UN CONTExTO DE CRISIS ENERGéTICA MUNDIAL

Christophe J. J. Bello

RESUMEN

En un contexto energético actual marcado por distintas crisis, los recursos energéticos convencionales presentan perspectivas tan pesimistas que las ener-gías renovables aparecen como alternativas cada vez más competitivas. Así pasa en la electrificación rural descentralizada en los países del Sur, que benefician en un aumento excepcional de nuevas instalaciones solares fotovoltaicas. En la presente monografía, se elevan los actuales motivos del éxito de la energía solar fotovoltaica y se trata de concientizar el uso de la misma en la región Norte de Argentina. Con tales objetivos, se definieron dos ejes de trabajo. En una primera parte, se consta de la disponibilidad a venir de los principales recursos energéti-cos presentes en la matriz mundial, y de las preocupaciones ambientales ligadas a sus usos, para fortalecer la idea de que las fuentes renovables son las energías del futuro. En la segunda parte, el trabajo de análisis se focaliza en la importancia de los sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA) para la electrificación rural, y en su uso en el Norte Argentino, en donde la mayoría de las escuelas rurales aisladas se ven equipadas con este tipo de sistemas de generación eléctrica. A través de una síntesis de los SFA instalados en esta región y de la información disponible sobre sus estados actuales, se consta que existen fallas en la organización de sus mantenimientos, asociadas a factores externos no previstos y que afectan a sus confiabilidades. Finalmente, el año 2011 será caracterizado en Argentina por una gran expansión del uso de SFA, y, comunicar sobre las primeras lecciones aprendidas resulta primordial para que se tomen en cuenta factores de importan-cia en el momento de implementar estos nuevos sistemas.

PALABRAS CLAVE: Sistemas Fotovoltaicos Autónomos, Electrificación Ru-

ral Descentralizada, Energías Renovables.

pOST

GR

AD

O


ABSTRACT

In the current context of global energy crisis, conventional energy resources have so pessimistic perspectives that renewable energies appear as whenever more competitive. It happens like that in the field of rural electrification in Southern Countries, which benefit from an exceptional increase of new solar photovoltaic installations. In this paper, we present the reasons for the current success of pho-tovoltaic solar energy and we seek to raise awareness for its use in the northern region of Argentina. In the first part, we find the willingness to come from the major energy resources present in the global matrix and environmental concerns related to its uses, strengthen the idea that renewable energies are the future. In second part, the analysis focuses on the importance of stand-alone photovoltaic systems (SAPV) for rural electrification, and its use in Northern Argentina where most isolated rural schools are equipped with this type of generation systems power. Through a synthesis of the SAPV systems installed in this region and the available information about their current status that is established that there is a lack of organization in their maintenance, associated with unforeseen external factors which affect their reliability. Finally, in 2011 Argentina will be character-ized by a great expansion of the use of SAFV systems, and communicating about the first lessons learned is essential to take into account relevant factors at the time of implementing these new systems.

KEY WORDS: Stand-Alone Photovoltaic Systems, Decentralized Rural Elec-trification, Renewable Energy.

INTRODUCCIÓN

La crisis energética mundial aparece en la actualidad como un problema social de los más preocupantes. Por un lado, los límites en recursos que presentan las fuentes de energía tradicionales implican una búsqueda de alternativas. Por otro lado, se vinculan las energías fósiles con graves problemas ambientales, principal-mente con la generación de gases del efecto invernadero que provocan un peligroso calentamiento global del planeta. En el Congreso Mundial de Energía de Montreal 2010 (Canadá), por ejemplo, las principales multinacionales del sector energético aceptaron nuevas problemáticas, dejando de cuestionar justamente la legitimidad del cambio climático. También, se habló del acceso a la energía para las zonas ru-rales de los países del Sur, con una intervención del director de la mayor empresa privada mundial de carbón que mencionó una situación preocupante para más de 1.500 millones de personas en el mundo, víctimas de pobreza energética.

95

Esta situación global favorece el uso de las energías renovables, no solamente por el potencial todavía no explotado que presentan, sino también, por permitir el acceso a un modo de energía moderna, a aquellas personas olvidadas de la sociedad.

En las zonas rurales aisladas de los países del Sur, la gran dispersión de los pobladores prioriza el uso de sistemas individuales de generación eléctrica, y los programas actuales de electrificación rural van generalizando el uso de sistemas solares fotovoltaicos de tipo autónomos (SFA).

En Argentina, principalmente a través del Proyecto de Energías Renovables en Mercados Rurales (PERMER), numerosas provincias ya se beneficiaron de insta-laciones fotovoltaicas para escuelas, centros comunitarios, puestos sanitarios y vi-viendas, con una generación aproximada de 1MWp (Red REEEP, 2009). Sumando los SFA instalados a través de programas provinciales o de iniciativas privadas, se estimaba que en el año 2006, siete mil hogares familiares recibían electricidad vía generación fotovoltaica (Scarabée, 2008). Además, el año 2011 será significativo para la electrificación rural descentralizada (ERD) en el país, con la instalación, por el PERMER, de más de 15.000 SFA domiciliarios en 12 provincias distintas, lo que representa una potencia de 1,9MWp (PERMER, 2009).

METODOLOGíA

Como en muchos países de América del Sur, Argentina ve la implementación de importantes programas de ERD con sistemas fotovoltaicos, en un momento clave de crisis energética global y mundial. Considerándose este contexto, el pre-sente trabajo pretende aclarar cuál es la situación de la energía solar fotovoltaica en la generación eléctrica de forma general y en la electrificación rural descen-tralizada de forma particular, focalizándose finalmente en las instalaciones de tipo SFA del Norte Argentino.

Basándose en una metodología de análisis objetiva, se presentan en la primera parte las perspectivas que ofrecen cada una de las habituales fuentes de energía. Las estimaciones de los recursos energéticos suelen cambiar según los intereses personales de los autores. Por lo tanto, no se tomaron en cuenta los datos más pesimistas, sino las opiniones de especialistas y profesionales de cada sector ener-gético por separado. En complemento, se analizan las tendencias de las energías renovables en la actualidad y los intereses económicos que representan.

Luego, en la segunda parte, se analiza la importancia que toman los SFA en la ERD y los motivos de sus éxitos. En muchas provincias de Argentina, estos sistemas de generación solar representan una tecnología nueva, y en consecuencia resulta algo crucial seguir estos primeros pasos. Para este estudio, se presentan


esencialmente datos disponibles para las provincias del Norte Argentino. Se con-sideró que la instalación de SFA por el PERMER se realizó en distintas etapas a lo largo de los diez últimos años, con la evidencia de que la experiencia adqui-rida en cada provincia será diferente. De la misma manera, las configuraciones de los SFA que se van instalando evolucionan. En consecuencia, un análisis de las dificultades que se encuentran en estos sistemas debe relacionarse tanto con las condiciones de operación, cómo también, con las particularidades técnicas de cada SFA. Esta es la metodología que se planteó, para poder concluir con los principales factores que afectan el funcionamiento de los SFA en esta región, basándose en un resumen de la información disponible en los ministerios provin-ciales y por el PERMER, y de las experiencias adquiridas por los distintos equipos de mantenimiento.

DESARROLLO

problemáticas energéticas actuales y energías renovables

En la matriz energética mundial, aparece en primera posición el petróleo (36%), luego el carbón (28%), el gas natural (23%), finalmente, las energías re-novables (7%) y la energía nuclear (6%) (fuente: BP Statistical Review of World, 2007). En marzo del 2010, se realizó el International Energy Forum en Cancún (México), cuyos países miembros, son los responsables del 90% del consumo y de la producción de petróleo y gas a nivel mundial. Las principales preocupaciones del fórum se relacionaron con el agotamiento de las reservas de petróleo, y aparece, en las conclusiones de uno de los documentos de trabajo, que: “utilizando estima-ciones conservadoras en la demanda futura, PCF Energy estima que el suministro de líquidos llegue a su cenit en el periodo 2020-2025”. Las energías fósiles son la base de 2/3 de la producción eléctrica mundial (Observ’ER, 2008) y los produc-tos petroleros son predominantes a nivel del consumo final (43% en el 2004). En consecuencia, como lo escribe Mosquera (2008), “si el petróleo está en jaque, la energía toda está en jaque”. El cenit del petróleo preocupa en todos los niveles, principalmente políticos y económicos, pero lo que más está en juego es probable-mente la dependencia energética de todo un sistema que se opone al cambio.

El carbón es otro combustible fósil, a veces presentado como “el salvador de la crisis” debido al bajo costo de explotación de sus importantes reservas natu-rales. Sin embargo, un artículo de la revista Nature, publicado en noviembre del 2010 y titulado “The End of Cheap Coal” (Heinberg y Fridley, 2010), critica una política energética mundial paralizada por la falsa idea de que el carbón debería

97

permanecer barato durante las próximas décadas. El Grupo Inter-gubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC por sus siglas en inglés) es respon-sable de otra publicación de importancia, donde se predice que el pico global de producción de carbón de los actuales yacimientos ocurrirá cerca del 2011. Los autores especifican que “el actual foco de atención en la captura y secuestro geo-lógico del carbón podría estar equivocado” y que “la comunidad global debería dedicar su atención al ahorro y al incremento de eficiencia de la generación eléc-trica con carbón” (Patzek y Croft, 2010).

De todos los combustibles fósiles, el gas natural es el menos contaminante, con-siderándose la liberación de dióxido de carbono, el principal de los gases del efecto invernadero, responsables del calentamiento global. Además, tiene múltiples usos, tanto residenciales como industriales. Puede aplicarse a la generación de energía eléctrica y al remplazo de la nafta en los automóviles. Su costo por unidad caló-rica siempre ha sido más ventajoso que el del petróleo. Sin embargo, con tantos beneficios, el gas natural ocupa apenas un cuarto de la matriz energética mundial. Las tres razones principales son: la dificultad de transportarlo y almacenarlo, la demanda de importantes obras de infraestructuras para su utilización en la red domiciliaria, y la limitación logística en el uso como remplazo de la nafta en el ru-bro automotor (Mosquera, 2008). Si bien van mejorando las tecnologías ligadas al transporte de gas y que el “Liquefied Natural Gas” está de moda, cuesta mantener un aumento significativo de la producción de gas natural a nivel mundial.

Frente a un exceso mundial de generación de dióxido de carbono (CO2), el uso de fuentes de energías fósiles se ve culpado. Los países que se caracterizan por pocas emisiones de CO2 (menos de 100g de CO2/kWh, que corresponde al 20% del promedio mundial) generan alrededor del 80% o más de su energía eléctrica a partir de la hidrogeneración (Brasil y Noruega), del nuclear (Francia) o de una combinación de los dos (Suiza y Suecia). En el otro extremo, países con altos niveles de emisiones de dióxido de carbono (más de 800g de CO2/kWh) no tienen centrales nucleares (Australia) o pocas (China e India) (International Atomic Energy Agency, 2009).

La generación de energía eléctrica a través de centrales nucleares presenta varias ventajas: permite estimaciones a largo plazo con costos de generación esta-bles, garantiza una cierta seguridad energética y no participa de manera directa al cambio climático. Sin embargo, durante los últimos 15 años, la producción ener-gética mundial de origen nuclear evolucionó lentamente y por escalones. En el año 2008 la crisis económica afectó a proyectos de futuras instalaciones nucleares, y en marzo del 2011 el accidente nuclear de Fukushima (Japón) provocó un freno aún más importante para la actividad nuclear en muchos países. Alemania, por ejemplo, decidió en solamente cuatro meses, pasar de un plan para ampliar la vida


de sus centrales nucleares a querer cerrar todas. Los problemas técnicos y ambien-tales ligados a la actividad nuclear son complejos y finalmente su competitividad económica depende, para cada instalación nueva, de las condiciones locales: alter-nativas disponibles, estructuras de mercado y políticas de gobierno. La Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA en inglés) ya precisaba, antes del acci-dente japonés, que la energía nuclear no será la “bala de plata” que salvará a los hombres de tantos desafíos energéticos (Rogner y Mc Donald, IAEA, 2010).

Si las energías renovables representan el 7% de la matriz energética mundial, el 18,7% de la producción de energía eléctrica se genera a partir de fuentes de origen renovable (figura 1). La energía hidráulica predomina con el 86,6% (figu-ra 2), pero con un crecimiento mínimo frente a la actual dinámica de la energía solar y de la eólica (figura 3). Con un importante despegue del sector fotovoltaico, la energía solar, que tenía una participación casi inexistente diez años atrás, está haciéndose un lugar entre las principales fuentes de energía del futuro. Algunos países contribuyeron más que otros en la promoción del mercado FV, siempre con crecimientos inesperados. En Alemania por ejemplo, el objetivo fijado para 2010 de un 12,5% de energías renovables en la producción eléctrica nacional fue alcan-zado a mediados de 2007 gracias al programa “100.000 techos solares” lanzado por el gobierno en 1999, y gracias a la entrada en vigencia, de una ley sobre energías renovables, la EEG (Erneuerbare – Energien – Gesetz). Esta ley logró suficiente éxito como para servir de modelo a más de 40 países en todo el mundo.

Figura 1: Estructura de la producción mundial de energía eléctrica.Fuente: Observ’ER, 2008.

Figura 2: Estructura de la prod. mundial de energía eléctrica de origen renovable.Fuente: Observ’ER, 2008.

0,3 % 1,1 % 1,1 % 0,2 % 0,06 %16,1 %13,5 %67,6 %

1,7 %

5,7 %

5,9 %

0,3 %

86,3 %

0,01 %

99

Figura 3: Tasa anual de crecimiento de cada fuente de energía, entre 1998 y 2008.Fuente: Observ’ER, 2008.

Entre el año 2004 y el año 2007, la inversión mundial en el ámbito de las energías renovables pasó de 33.000 a 148.000 millones de dólares (Fuente: Pro-grama de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, 2008). Los principales grupos energéticos y financieros mundiales se ven atraídos por una interesante tasa de rentabilidad y buscan aumentar progresivamente su participación en el sector, de tal manera que las multinacionales como Alstom, Areva, General Elec-tric, Suez, Total o ENI, todas invirtieron en energías renovables. Sin embargo, existen otros procesos de inversión posibles para el sector de las energías reno-vables, como el Fondo mundial para el medio ambiente (GEF en inglés) y el Me-canismo de desarrollo limpio (CDM en inglés) definidos a través del protocolo de Kyoto y que incentivan a las empresas de los países industrializados a invertir en actividades que reducen las emisiones de gases del efecto invernadero en los paí-ses en vías de desarrollo. Efectivamente, el uso de energías renovables presenta la gran ventaja de no generar CO2. Así se estima, por ejemplo, que gracias a la ley EEG en Alemania, se dejaron de emitir 45 millones de toneladas de gas carbónico solamente para el año 2006 (El Atlas de Le Monde Diplomatique III, 2009). El protocolo de Kyoto abrió un nuevo mercado, para quienes quieren especular en el mercado del carbono. Marruecos es un ejemplo interesante, ya que, el país quiere posicionarse cómo líder del continente africano en este mercado con un objetivo de más de 15 MtC/año a ofrecer para el 2020. Sin embargo, el país logró vender solamente 280.000 toneladas en el 2009, debido a la complejidad del CDM. Es que, respecto a los sistemas fotovoltaicos instalados en contextos de electrifica-ción rural (más de 50.000 SFA en el 2010 en todo el país), no se pudo medir y justificar las emisiones que se evitan.

Finalmente, la actual crisis energética es global y mundial, y deberá acentuarse de forma preocupante en los próximos años. A medida que van a ir desapareciendo

Geotermia 3,0 %

Eólica 29,4 %

Biomasa 6,6 %

Solar 29,6 %

Hidráulica 2,2 %

Energías marinas -1,3 %

Nuclear 1,1 %

Fósiles 4,2 %

Desechos no renovables 2,8 %


los recursos fósiles, la llegada de las energías renovables se hace inevitable, de tal manera que serán las energías del futuro. A los argumentos detallados en los pá-rrafos anteriores, puede agregarse el incremento de las poblaciones en los países del Sur, asociado a la globalización de un modo de vida moderno, gran consumidor de energía. Este contexto, debería llevar al hombre a repensar su relación con el planeta y principalmente con los recursos energéticos que éste le ofrece.

Uso de sistemas fotovoltaicos autónomos para la electrificación rural

En el último informe anual del Consejo Mundial de Energía, el Dr. C. Frei (Secretario General), relaciona el cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo del Milenio1 con un indispensable acceso a servicios energéticos modernos para los 1.500 millones de personas que no se benefician todavía (World Energy Council, 2011). Es también uno de los objetivos principales presentados por las Naciones Unidas, que llegaron a designar el año 2012 como “el Año Internacional de la Energía Sostenible para Todos”. Los indicadores de desarrollo habitualmente uti-lizados por estas instituciones internacionales para clasificar los países, resultan ser dependientes de las respectivas tasas de electrificación. Finalmente, queda aceptado que el acceso a la energía eléctrica produce una mejora de las condi-ciones de vida: acceso a la salud, higiene, educación, información (audiovisual) y telecomunicación, pero también actividades económicas (agricultura, artesanía, comercio, etc.) (Fuente: Gouvello y Maigne, 2000). Estas necesidades, individua-les como colectivas, generalmente se pueden satisfacer a través de pequeños siste-mas de generación eléctrica. Son características que corresponden a los sectores rurales de los países del Sur, y la energía solar les ofrece soluciones cada vez más competitivas a través de la generación fotovoltaica.

En muchos países del Sur, las reformas de los sectores energéticos consistieron en modificar sus estructuras, separando las actividades de generación de las de transmisión y de distribución, generalmente sin lograr una mejora de las tasas de electrificación (Pereira, 2010). En Argentina, la extensión de la red eléctrica parece haber llegado a su máximo en el 2004 con 9 familias de cada 10 reci-biendo un servicio de energía eléctrica (Tabla 1). Esto se debe a que la conexión a una red de distribución centralizada resulta poco rentable cuando más aislado

1 “La adopción de los Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM) en el año 2000 supuso un hito para la comunidad internacional ya que constituyen uno de los pocos compromisos globales en materia de desarrollo apoyados a nivel mundial. Los ODM establecen puntos de referencia y objetivos específicos y medibles para erradicar la pobreza extrema y promocionar la paz y la seguridad. Aunque dichos objetivos se fijaron para ser alcanzados en 2015, está claro que los esfuerzos para lograr su cumplimiento están siendo insuficientes.” Extraído del sitio internet del “Center for Economic and Social Rights” (http://cesr.org/).

101

se encuentra el usuario. Para mejorar las tasas de electrificación en el país, se promovió progresivamente a partir del año 1999 el uso de las energías renovables a través del PERMER, que se define como un proyecto de alto contenido social: sus objetivos son “atender al mejoramiento de la calidad de vida de las comu-nidades rurales dispersas, contribuyendo al alivio a la pobreza en las mismas” (Secretaría de Energía de La Nación, 2009). El PERMER está financiado por el Gobierno Nacional, donde el 70% lo aporta la Secretaría de Energía a través de un préstamo del Banco Mundial. En el 2009, este programa tenía activas más de 6.000 instalaciones fotovoltaicas de tipo SFA (Tabla 2). El mismo año, según datos informados por las Naciones Unidas, unas 70.000 familias argentinas no contaban todavía con acceso a la energía eléctrica.

Tabla 1: Evolución de la electrificación rural convencional en Argentina. Frecuen-cia relativa de familias recibiendo un servicio de energía eléctrica.

1990 1998 2000 2004 2005 200678% 84% 85% 90% 90% 90%

Fuente: Scarabée, 2008.

Tabla 2: SFA instalados por el PERMER en las diferentes provincias argentinas.

Provincia Escuelascon SFA

Servicios Públicos

SFA Residenciales

Mini-Redes FV

Catamarca 36 2

Córdoba 86

Corrientes 85

Chaco 208 1680

Jujuy 58 1900 4

La Rioja 60

Misiones 24 42

Neuquén 51 34 530

Río Negro 26

Salta 178 314 14

San Juan 16 52

Santiago del Estero 502

Tucumán 39 13 250

Total 1369 455 4360 20

Fuente: PERMER, 2009.


Para el abastecimiento de energía eléctrica a establecimientos escolares o vi-viendas no conectados a la red convencional, existen varias soluciones técnicas como el muy conocido grupo electrógeno, con su costo inicial razonable pero con sus inconvenientes de manutención y de reabastecimiento de combustible en zonas retiradas. En la provincia de Corrientes, ciertas escuelas ya disponían de grupos electrógenos antes de la instalación de los sistemas fotovoltaicos, y otras pidieron la instalación de un grupo electrógeno después, mostrando la complementariedad de los dos tipos de sistemas. Por un lado, el uso de un grupo electrógeno suele restringirse a pocas horas en la semana, solamente cuando se necesita alimentar una bomba de agua eléctrica o en la ocasión de eventos importantes. Esto se debe al sobre dimensionamiento de la mayoría de los grupos electrógenos para el uso de unas luminarias, radio y televisor, los cuales consumen poco durante varias horas diarias. Para tal uso, un SFA aporta una mejor calidad de servicio, evitando gas-tos excesivos en combustible. Por otro lado, el pedido de grupos electrógenos “de emergencia” en escuelas que ya disponían de un SFA, demuestra, que la solución fotovoltaica no es confiable al 100%. En este contexto el término “confiabilidad” aplicado a un SFA toma un sentido particular. No se trata de la seguridad de la instalación, como en el ejemplo de una central nuclear, sino más bien de una re-lación directa con la disponibilidad del sistema de generación solar. Hasta ahora, los estudios de confiabilidad de los SFA, se han centrado fundamentalmente en las labores de dimensionamiento, sin considerar la evolución de los sistemas en opera-ción real, la degradación y averías de sus componentes, ni por lo tanto, su influen-cia sobre dicha disponibilidad energética inicialmente estimada (Villar, 2003).

Para presentar una situación actual de los SFA instalados en la región Norte de Argentina, corresponde como primer punto analizar cuáles son las caracte-rísticas de estos sistemas y si están en adecuación con las necesidades locales. Básicamente, un SFA es un sistema de generación eléctrica, que se constituye de un panel o conjunto de módulos fotovoltaicos, un acumulador o banco de baterías, un regulador de carga, y a veces un inversor CC/CA. La configuración y diseño de los SFA cambian de manera a adaptarse lo mejor posible a las necesidades del usuario. Cuando el uso se limita a la iluminación se eligen sistemas solamente de corriente continua (CC) por una cuestión de simplicidad, y se opta por una con-versión a corriente alterna (CA) cuando la mayoría de los artefactos utilizados lo necesitan. Por ejemplo, los SFA domiciliarios instalados por el PERMER, de potencia FV inferior a 200Wp, no disponen de inversores. Sin embargo, se en-cuentran variantes en la configuración de los SFA instalados en escuelas rurales. En la provincia de Corrientes, la instalación eléctrica de estos establecimientos se ve alimentada totalmente en 220V alterna, incluyéndose las luminarias. En la provincia del Chaco, las escuelas con SFA tienen una doble instalación eléctrica,

103

con las luminarias alimentadas en 12V continua y el resto de las tomas en 220V alterna. Por un lado, la opción de tener todo en corriente alterna, elegida en Co-rrientes, permite aliviar los gastos en cables que, representa una doble instalación eléctrica, pero con el uso de inversores de mayor potencia. Por otro lado, la falla de un inversor en una escuela chaqueña no perjudica el uso de las luminarias, mientras que las escuelas correntinas están totalmente dependientes del buen funcionamiento de sus inversores, provocando justamente un aumento notable de los reclamos en esta provincia (Bello, 2010).

La filosofía del diseño de un sistema fotovoltaico autónomo, incluyéndose el dimensionamiento, es bastante diferente a la de un sistema fotovoltaico conecta-do a red, ya que en un SFA la acumulación de la energía a través de baterías es tan importante como la generación FV. Efectivamente, los elementos de este tipo de instalación deben guardar entre sí proporciones justas y equilibradas, para lograr una entrega de energía eléctrica que corresponda con el consumo. Para un dimensionamiento adecuado, existen métodos de cálculo basados en estima-ciones de consumo diario y datos meteorológicos disponibles. En la provincia de Corrientes, el dimensionamiento de los SFA instalados en las escuelas rurales fue definido por el Ministerio de Educación de la Nación, el cual consideró la canti-dad de ambientes, la superficie y uso de cada uno de ellos, necesidad de Lúmenes por metro cuadrado para cada ambiente particular (aula, cocina, estar, etc.) para estimar una cantidad de luminarias y de ventiladores de techo, un consumo para la vivienda docente y otros por equipamiento audiovisual. Así se obtuvo un consu-mo estimativo diario por escuela. Luego, fueron considerados 22 días de clase por mes, una eficiencia global del sistema del 85% (sin los módulos FV), 3,6 horas de sol pico (1000W/m2) sobre el plano inclinado de los módulos FV durante el mes más crítico del año y 3 días de autonomía, con una profundidad de descarga de baterías del 70%. Como resultados, se determinaron capacidades de generación y de acumulación particulares de cada escuela (Figura 4).

Figura 4: Distribución de las potencias instaladas en los SFA de Corrientes.


Desde la puesta en marcha de los 85 SFA instalados por el PERMER, en Co-rrientes en el año 2008, el Grupo de Energías Renovables (GER) de la Universidad Nacional del Nordeste realiza un seguimiento técnico de estos sistemas, participan-do también en su mantenimiento. Con el fin de estudiar con más detalles el com-portamiento de un SFA en condiciones reales de uso, el GER instaló en octubre del 2010 un sistema de adquisición de datos (SAD) para el sistema de generación solar de una de las escuelas correntinas (Bello, 2010). Datos obtenidos durante siete me-ses de monitoreo permitieron definir un patrón de consumo energético típico para la escuela, analizando por separado la demanda en energía eléctrica en cada sector del establecimiento y asociándolos a distintos tipos de actividades (Bello, 2011). De día, el consumo del establecimiento corresponde a unos 100Wh para la zona escue-la, más otros 150Wh para la zona vivienda2. De noche, son 400Wh para la galería y 150Wh para la zona vivienda (Figura 5). El banco de batería está dimensionado para abastecer unos 3.000Wh/día durante 3 días, por lo tanto, el consumo noctur-no observado en el establecimiento no es excesivo y corresponde a un uso moderado de los recursos del SFA. En época de baja radiación solar, los 800Wp del banco FV instalado no producen más de 2.880Wh, frente a una demanda diaria de 800Wh. Debe considerarse la eficiencia de cada elemento del SFA para conocer la energía exacta entregada por el sistema al usuario, pero aun así, su potencia general de producción supera ampliamente el consumo observado. En consecuencia, el SFA estudiado está sobre-dimensionado. En cuanto al valor de insolación considerado en el dimensionamiento original (3,6h de sol pico por día), se puede comparar con la radiación solar medida sobre el plano de los módulos FV durante el mes de junio, por ser la más baja registrada, con un promedio de 3,7h de sol pico por día. A partir del mes de marzo, exactamente a los 3 años de actividad para este SFA, apare-cen cortes energéticos ante situaciones de consumo moderado, lo cual caracteriza una pérdida de capacidad importante del banco de baterías. Dentro de las posibles explicaciones, pueden mencionarse las descargas excesivas de los acumuladores, debido al funcionamiento de los inversores utilizados en esta escuela. Además, las temperaturas registradas en el ambiente de las baterías superan frecuentemente los 40°C, causa probable de la evaporación excesiva de los electrolitos observada du-rante el mantenimiento. Finalmente, este caso particular puede generalizarse a una gran parte de las escuelas correntinas, que ven la confiabilidad de sus SFA afectada por una limitación de la vida útil de las baterías.

Los factores que pueden perjudicar el buen funcionamiento de un SFA en zo-nas rurales aisladas son múltiples. En el contexto de la electrificación rural, se encuentran fácilmente estudios del impacto que pueda generar la implementación de ciertas tecnologías en los ámbitos económicos, sociales y ambientales de las

2 Gran parte de las escuelas rurales disponen de una vivienda para el docente o algún cuidador.

105

poblaciones afectadas. De manera inversa, factores sociales o ambientales pueden afectar al funcionamiento de sistemas tecnológicos y en el caso particular de los SFA se observa tanto una relación directa con los usuarios, como ubicaciones en zonas geográficas austeras. Son factores que no suelen tomar tanta importancia en el funcionamiento de otros sistemas de generación eléctrica, sin embargo, no pueden ser omitidos de los SFA. Además, son factores que pueden cambiar de una región a otra, de una clase de usuario a otra, etc. Solamente un trabajo de cam-po, en colaboración directa con el personal docente de las escuelas que disponen de un SFA, puede dar cuenta de la situación en cada región. Finalmente, sin una organización adecuada del mantenimiento de los SFA en actividad, no se podrán evaluar los factores a tomar en cuenta para futuras instalaciones.

Figura 5: Promedios mensuales de datos registrados durante un total de 7 periodos.

En Corrientes, el GER se encargó de las principales intervenciones de manteni-miento de los SFA, sin que se haya podido seguir un ritmo continuo de visitas por diversas cuestiones relacionadas, principalmente, a la falta de recursos económicos destinados a tales actividades. A partir del mes de marzo de 2010, se implementó un cronograma de visitas con operaciones sistemáticas de mantenimiento y el com-promiso de controlar por lo menos dos veces por año cada sistema. En la Tabla 3 se exponen los problemas más frecuentes encontrados durante las visitas realizadas en el 2010. La falta de líquido o electrolito en las baterías (el 74% de las escuelas) no tiene repercusión a corto plazo sobre el buen funcionamiento de los SFA, pero sí resulta muy importante, respecto a pérdidas precoces de capacidad en los acu-muladores, como ya fue mencionado anteriormente. En segundo plano, aparecen fallas graves en los inversores, siendo el factor predominante la presencia de ranas dentro de los aparatos (figura 6). Desde la puesta en operación de los SFA, pocos reguladores de carga presentaron fallas, y en uno de los casos un sobrecalentamien-


to produjo el derretimiento de la carcasa de un regulador sin la activación de los elementos de protección (Figura 7). En cuanto a los módulos fotovoltaicos, se ha observado a los dos años de operación una decoloración con un patrón caracterís-tico en algunos módulos. La misma se produce a lo largo de la zona central de las celdas tal como se aprecia en la figura 7. De forma general, para la provincia de Corrientes, la selección de los diferentes elementos en el diseño de los SFA no re-sultó ser la mejor solución técnica, ya sea por falta de adaptación a las condiciones reales de operación de la zona, y por simples cuestiones de calidad (Bello, 2010).

Tabla 3: Problemas más frecuentes encontrados en los SFA de Corrientes durante los 6 primeros meses del año 2010 (ciertas escuelas recibieron 2 visitas).

Total de referencia

Casos de electrolitos

“secos”

Inversores fuera de servicio

Reguladores de carga fuera de

servicio

Escuelas actualmente sin energía

Robos parciales o totales

Cantidad 32 8 1 10 4

50 visitas 64 % 16 % 2 % 20 % 8 %

43 escuelas 74 % 19 % 2 % 23 % 9 %

Figura 6: Presencia de ranas dentro de un inversor quemado.

Figura 7: Deterioro visible de módulos FV y regulador de carga quemado.

107

A modo de comparación con Corrientes, se recabó información sobre man-tenimiento y desperfectos en SFA instalados en otras provincias del Norte Ar-gentino. En el caso del Chaco, de Salta, de Jujuy y de Tucumán, los sistemas instalados son tanto domiciliarios como destinados a escuelas (Tabla 2). Cada provincia presenta también diferencias en lo que respecta al clima. En el Chaco, la gran mayoría de las instalaciones se encuentran en el Impenetrable Chaque-ño, región donde las temperaturas anuales registradas son casi las más altas del país. Este motivo provocó la necesidad de reemplazar una gran parte de los reguladores de carga en los SFA domiciliarios. La gestión del mantenimiento se hace a través de la Subsecretaria de Energía y Programas Especiales de la Provincia del Chaco, la cual contrata a la Cooperativa de Servicios Públicos del Norte Chaqueño de J. J. Castelli, para el mantenimiento de las instalaciones, con una preocupación actual centrada en el cambio de baterías por envejeci-miento precoz no previsto. El primer SFA chaqueño se instaló en el año 2005, con unos 650 reclamos registrados para el año 2009 (34 % de los sistemas). Salta y Jujuy son otras provincias de importancia para este tipo de compara-ciones, por ser unas de las primeras donde empezó a trabajar el PERMER. Además, se notan aportes significativos por parte de las entidades provinciales en la región, con 290 SFA domiciliarios instalados en Salta sin el PERMER y más de 1.000 en Jujuy. En Salta, la concesionaria es la Empresa de Servicios Eléctricos Dispersos S.A. (ESED). Según datos aportados por ella, durante los últimos años se registraron un promedio estimativo de 100 reclamos por año, representando el 15 % de los sistemas. En Jujuy, los datos obtenidos por la Empresa Jujeña de Sistemas Energéticos Dispersos S.A. (EJSEDSA) dan un estado actual de 4.341 SFA (más del doble de lo informado por el PERMER en el 2009), por un total de 449KWp.

En las provincias de Misiones y Tucumán, los gobiernos provinciales no asu-mieron de la misma manera la organización del mantenimiento necesario para mantener en operación los SFA instalados por el PERMER. En la provincia de Misiones, 42 salones comunitarios para las comunidades aborígenes guaraníes y 24 escuelas rurales recibieron sistemas fotovoltaicos, sin que se pueda obtener información concreta de sus actuales estados, tanto, por la vía de la distribui-dora eléctrica, como por el intermedio del equipo encargado de las infraestruc-turas escolares. En Tucumán, la encargada del mantenimiento de los 250 SFA domiciliarios instalados en el 2001 es la Empresa de Distribución Eléctrica de Tucumán S.A. (EDET). Sin embargo, pueden emitirse dudas sobre la calidad del mantenimiento realizado, a base de un llamado de atención presentado dos años atrás desde la Unidad Ejecutora Provincial (UEP). Por lo que, Formosa, resulta ser la única provincia del Nordeste Argentino en no haber recibido la atención del PERMER, ni si quiera en las últimas licitaciones que prevén la instalación de más


de 15.000 nuevos SFA domiciliarios en todo el país. Respecto a las provincias del Norte Argentino antes mencionadas, le corresponderían 1.000 SFA de 120Wp a Corrientes, 700 SFA de 100Wp al Chaco, 4856 SFA de 150Wp a Salta y 1682 SFA de 100Wp a Tucumán.

CONCLUSIÓN

El primer análisis, respecto a la situación particular de cada una de las fuentes tradicionales de energía, demuestra que las energías renovables van a tomar cada vez más importancia en la matriz energética mundial. Esta tendencia es notable a través de las transacciones financieras de las grandes empresas del sector ener-gético, pero también por el uso casi sistemático de sistemas fotovoltaicos autóno-mos para la electrificación rural descentralizada en los países del Sur.

De la misma manera que en los países vecinos, el uso de SFA en Argentina es relativamente reciente. Por lo tanto, resulta primordial dar cuenta de las primeras experiencias en el sector, en previsión de una generalización de este tipo de sistemas. En zonas rurales aisladas del Nordeste Argentino, los SFA son generalmente las únicas fuentes de energía en las viviendas o escuelas donde se instalan, y si no logran un nivel de confiabilidad aceptable, pueden perder su credibilidad en las poblaciones rurales afectadas, perjudicando futuros programas de electrificación rural.

Un estudio del patrón de consumo en una escuela de la provincia de Corrientes da el ejemplo de un SFA ampliamente dimensionado, pero con pérdidas prematu-ras de su banco de baterías. Estadísticas del mantenimiento realizado en la pro-vincia confirman que los acumuladores son, sin dudas, el punto débil de los SFA, y para evitar fallas en los sistemas, el remplazo de las baterías debe programarse con suficiente anticipación. Además, un modelo de inversor de las escuelas co-rrentinas se vio afectado por la presencia de ranas, mientras que en el Chaco, son los reguladores de carga que resultaron inadaptados a las temperaturas extremas de la región. De cierta manera, una inadecuación de varios elementos perjudicó el funcionamiento y la confiabilidad de los SFA, generando también gastos no previstos en el mantenimiento. La provisión de fondos vía Banco Mundial implica de alguna manera para el PERMER entrar en un sistema economicista3. Esto explica que al momento de la toma de decisiones frente a diferentes arquitecturas para los SFA, se priorizan los factores económicos por sobre los de confiabilidad y de sustentabilidad.

3 “Criterio o doctrina que concede a los factores económicos primacía sobre los de cual-quier otra índole”, según el Diccionario de la Real Academia Española.

109

En complemento, un inventario de los SFA instalados en cada provincia del Norte Argentino, asociado a sus distintas formas de organizar el mantenimiento, permite concluir que las provincias no se hacen cargo de forma sistemática de los sistemas solares entregados por el PERMER. Sin embargo, que se realice un mantenimiento mínimo es el punto clave de la confiabilidad de los SFA. Faltaría incorporar a su organización desde el PERMER, para permitir también un nece-sario retorno de información desde el terreno hacia los equipos que planifican las futuras instalaciones.


BELLO, Christophe; BUSSO, Arturo; VERA, Luis; CADENA, Carlos. Factores que Afectan el Funcionamiento de Instalaciones Fotovoltaicas Autónomas en Regiones del Nordeste Argentino. Congreso ASADES, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 14, 2010.

BELLO, Christophe et al. Equipamiento de Adquisición de Datos para Sistemas Fotovoltaicos Autónomos Instalados en Escuelas de Corrientes. Congreso Mundial de Ingenieria, Buenos Aires, 2010.

BELLO, Christophe et al. Demanda Energética en una Escuela Rural Equipada con un Sistema Fotovoltaico Autónomo: un Caso de Estudio en la Provincia de Corrientes. Congreso ASADES, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 15, 2011.

CADENA, Carlos. ¿Electrificación o energización? Mediante energías alternativas en zonas rurales. Congreso ASADES, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 10, 2006.

DIAZ VILLAR, P. Confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos autónomos: aplicación a la electrificación rural. Tesis doctoral, Madrid, 2003.

de GOUVELLO, Christophe; MAIGNE, Yves. L’Electrification Rurale Décentralizée. Une chance pour les hommes, des techniques pour la planète. Systèmes Solaires, Paris, 2000.

HEINBERG, Richard; FRIDLEY, Davis. The end ofcheap coal. Nature, Vol 468, 2010.

LE MONDE DIPLOMATIQUE. El Atlas III. Un mundo al revés. Buenos Aires, 2009.


MOSQUERA, Marcelo. Energía en el mundo - “La era de la escasez”. Instituto de Estrategia Internacional. Cámara de Exportadores de la República Argentina. 2006.

OBSERV’ER. Worldwide electricity production from renewable energy sources. Ninth inventory, 2007.

PATZEK, Tadeusz; CROFT, Gregory. A global coal production forecast with multi-Hubbert cycle analysis. Energy 35, Elsevier, 2010.

PEREIRA, Marcio; FREITAS, Marcos; da SILVA Neilton. Rural electrification and energy poverty: Empirical evidences from Brazil. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (1229–1240), 2010.

PERMER. Provisión e instalación de equipos fotovoltaicos e instalación interna en viviendas rurales de diversas provincias. Licitación internacional. 2009.

Red REEEP. Energías renovables: diagnósticos, barreras y propuestas. Secretaría de Energía y Fundación Bariloche, 2009.

SCARABÉES. Boletín de conexión de la red de expertos en electrificación descentralizada, Nº 22, 2008.

SECRETARÍA DE ENERGÍA DE LA NACIÓN. Proyecto PERMER, Manejo ambiental y social, Condiciones para su implementación en las provincias. Ministerio de planificación, inversión pública y servicio de la República Argentina, Marzo 2009.

UNITED NATIONS. Rural Population by Major Area, Region and Country, 1950-2050. 2009

WORLD ENERGY COUNCIL. World Energy Insight 2011. Official Publication of the World Energy Council. 2011.

<<<

111

>>> TRANSESTERIFICACIÓN EN ALCOHOLES SUpERCRíTICOS COMO ALTERNATIVA pARA LA pRODUCCIÓN DE BIODIESEL

Ignacio Vieitez Osorio

RESUMEN

Disponer de un método de transesterificación de aceites eficiente en presencia de agua resultaría del mayor interés con vistas a la utilización de alcohol recti-ficado en lugar del metanol utilizado tradicionalmente para dicho fin. En este trabajo, se estudió el efecto sobre la eficiencia de la transesterificación en conti-nuo en etanol supercrítico de los diferentes parámetros operativos, entre ellos el contenido de agua del alcohol.

Los resultados indican que el proceso de conversión en biodiesel de los aceites de soja, girasol, girasol alto oleico y ricino puede realizarse con relativa alta eficiencia si se eligen convenientemente los parámetros operativos. Sin embargo, se encontró que el material lipídico sometido a las condiciones extremas de tem-peratura y presión requeridas sufrió un grado de deterioro significativo, produ-ciendo la reducción del porcentaje de los ácidos grasos insaturados, fenómeno que aparece como la principal limitante del contenido de éster del producto.

En este trabajo se muestran los resultados más representativos de la Tesis de Doctorado de Ignacio Vieitez (2010, Facultad de Química, UDELAR).

PALABRAS CLAVE: biodiesel, etanol supercrítico, transesterificación sin ca-talizador, ésteres etílicos, descomposición.

ABSTRACT

The design of an efficient transesterification process for the production of bio-diesel is of major interest in order to viable the utilization of rectified alcohol instead of methanol, conventionally used for this process. This work studied the effect of the different operative parameters on the efficiency of the continuous catalyst-free transesterification of vegetable oils under supercritical ethanol, in-cluding the effect of the addition of water to the alcohol. Results showed that using this methodology, the conversion of soybean oil, sunflower, high oleic sun-

pOST

GR

AD

O


flower oil and castor oil to biodiesel could be efficiently performed with a proper selection of the reaction conditions.

However, the lipid material suffered different decomposition phenomena due to the high temperature and pressure needed to maximize the conversion levels using this method, producing a reduction in the percentage of unsaturated fatty acids, which limited the maximum ester content achievable.

This work summarizes the main results obtained within the framework of the PhD thesis of Ignacio Vieitez (2010, Facultad de Química, UDELAR).

KEYWORDS: biodiesel, supercritical ethanol, transesterification without cat-alyst, ethyl esters, decomposition.

INTRODUCCIÓN

Desde el siglo pasado, los combustibles derivados del petróleo han sido la prin-cipal fuente de energía mundial. Sin embargo, debido a la escasez que puede presentar este recurso en años futuros y por los problemas de contaminación am-biental que ocasionan, la búsqueda de fuentes alternativas de energía renovables se volvió de vital importancia (1). Actualmente las principales fuentes de energía que se utilizan son el petróleo, el carbón, el gas natural, la hídrica, la eólica y la nuclear. Las tres primeras mencionadas se denominan combustibles fósiles, en referencia a su origen. Las estimaciones sobre las reservas fósiles son, aún hoy, difíciles de asegurar, pero es más difícil predecir la evolución de precios y el ritmo de consumo, el que a su vez dependerá de los precios. Por lo tanto, el desarrollo de fuentes de energías renovables para la sustitución de los combustibles de ori-gen fósil aparece como una interesante alternativa, por lo que la investigación relacionada con el aprovechamiento de este tipo de recurso energético ha cobrado mayor importancia a nivel mundial.

Debido a las características similares del biodiesel y del diesel tradicional, los motores de compresión-ignición convencionales requieren de muy poca, o nin-guna, modificación para funcionar con este tipo de combustible. El biodiesel se puede usar puro o mezclado con el diesel de petróleo y no produce depósitos in-deseables en los motores (2, 3). Presenta también ventajas con respecto al diesel tradicional en la calidad de las emisiones gaseosas que produce (libres de SO2, Pb o halógenos, y con una reducción sustancial de CO y de hidrocarburos sin quemar) y en que es biodegradable (4).

Para el enfoque del problema en un escenario local, es relevante el hecho de que Uruguay es un país netamente importador de petróleo, lo que da como resul-

113

tado un costo muy elevado de sus derivados (entre ellos el diesel) y una situación de dependencia energética muy inconveniente. Esto claramente favorece las con-diciones para la introducción del biodiesel como una alternativa al diesel conven-cional. El biodiesel representa actualmente una de las posibles fuentes de energía alternativa con la que cuenta Uruguay para diversificar su matriz energética. Además aparece como una alternativa atractiva para un país como el Uruguay, que dispone de áreas de prioridad agrícola potencialmente utilizables, capaces de producir las materias primas necesarias para la producción de este biocombusti-ble. Por este motivo el gobierno uruguayo tomó diferentes medidas para impulsar el tema a nivel legislativo. En el artículo primero de la Ley Nº 17.567 del 20 de octubre de 2002 se declaró de interés nacional la producción en todo el territorio del país de combustibles alternativos, renovables y sustitutivos de los derivados del petróleo, elaborados con materia prima nacional de origen animal o vegetal. A este primer antecedente de carácter declarativo le siguió la Ley sobre Agro-combustibles Nº 18.195 aprobada por el Parlamento en el 2008 y reglamentada a través de un Decreto a fines del mismo año. En dicha Ley se encomienda a ANCAP (Administración Nacional de Combustibles, Alcohol y Pórtland) a incor-porar hasta un 2% sobre el volumen total de la mezcla entre biodiesel y el gasoil de uso automotivo que se comercialice internamente hasta el 31 de diciembre de 2008. Dicha proporción constituye un mínimo obligatorio desde el 2009 hasta el 31 de diciembre de 2011, en el cual se elevará a 5% a partir del 1 de enero de 2012. También la Ley de Agrocombustibles hace obligatorio el cumplimiento de la Norma UNIT 1100 (aprobada en diciembre de 2005 y modificada en el 2009).

La fabricación industrial de biodiesel se realiza mediante la transesterifica-ción de grasas y aceites con metanol. Sin embargo, el etanol es una alternativa interesante dado que puede ser un producto 100% renovable (bioetanol) y que garantiza una mayor seguridad en su manipulación: no es tóxico, a diferencia del metanol. En los últimos años el gobierno del Uruguay reactivó la industria azu-carera estatal a partir, fundamentalmente, de caña de azúcar y de sorgo dulce. Junto con ella, implementará la producción de alcohol rectificado y absoluto. Las propiedades del biodiesel obtenido con etanol son tan buenas o superiores a las del derivado del metanol, por lo que desde el punto de vista de la calidad del combus-tible no habría ningún impedimento para la sustitución de un alcohol por el otro (5). Sin embargo, el alcohol absoluto tiene la enorme desventaja de que absorbe humedad del ambiente, hasta alcanzar su concentración azeotrópica (es decir, dejando de ser anhidro). El empleo de etanol rectificado (al 96%) tiene la gran ventaja, respecto al alcohol anhidro o absoluto, de su bajo precio y de la facilidad de su manipulación. Sin embargo, hasta ahora, toda la bibliografía encontrada utiliza etanol anhidro o absoluto debido a que el empleo de alcohol rectificado


tiene como inconveniente que su contenido de agua (4% aproximadamente) es suficiente para que la reacción de obtención del biodiesel sea incompleta.

Como ya se mencionó, el biodiesel se obtiene tradicionalmente mediante la transesterificación de un aceite vegetal con un alcohol, generalmente metanol, en presencia de un catalizador químico básico. Este método, si bien resulta conve-niente por su alta eficiencia y bajo costo, presenta varios inconvenientes, como la necesidad de pretratamiento de los materiales grasos muy ácidos, la imposibili-dad de utilizar etanol rectificado (por el contenido de agua presente), la baja cali-dad de la glicerina producida y la producción de elevados volúmenes de efluentes.

En referencias bibliográficas más recientes se estudia la conducción del pro-ceso a elevadas presiones y temperaturas, más precisamente en medio alcohólico supercrítico, donde el proceso puede transcurrir sin necesidad del uso de ningún tipo de catalizador (6, 7, 8, 9, 10). Una primera ventaja de esta tecnología la representa la alta pureza de los productos obtenidos debido a la no utilización de catalizador (11, 12). La metodología supercrítica para la elaboración de biodie-sel presenta varias ventajas, entre las que se destacan (13): no se utiliza ningún tipo de catalizador, la homogeneidad de fase alcohol/aceite disminuye las dificul-tades del transporte de masa y, en consecuencia, incrementa las velocidades de reacción y se puede utilizar materias primas de baja calidad, incluso con elevados contenidos de ácidos grasos libres y de agua ya que no presentan efectos negativos en la reacción. Esta es una diferencia importante respecto a la misma situación cuando se emplean catalizadores básicos que son muy sensibles a la presencia de agua (la que debe ser inferior al 0.06% m/m) y al contenido de ácidos grasos libres (el que debe ser inferior al 0.5% m/m).

Los antecedentes bibliográficos demuestran la viabilidad de la alcohólisis su-percrítica frente a diferentes materias primas, tanto con metanol como con etanol anhidros; además demuestran que la metanólisis supercrítica es altamente efi-ciente en presencia de un elevado contenido de agua. Dadas la elevada similitud entre las propiedades del metanol y el etanol resulta de gran interés explorar el efecto de la adición de agua al proceso de etanólisis supercrítico. Evaluar el efecto del agua sobre la conversión del aceite a biodiesel es, obviamente, de gran importancia para determinar la viabilidad técnica del uso de alcohol hidratado y de especial interés para un eventual escalado del proceso, dado que, además de ser de menor costo que el etanol anhidro, resulta especialmente importante para el contexto regional. Esto último vuelve particularmente atractivo el estudio de la eficiencia de este tipo de proceso al utilizar etanol rectificado en condiciones supercríticas, aspecto sobre el cual no se encontró antecedentes. En conclusión, el objetivo del presente trabajo es el estudio de la transesterificación en alcoho-les supercríticos de aceites y grasas de origen nacional como método alternativo

115

para la obtención de biodiesel, dirigido a la búsqueda de un método eficiente para reemplazar el metanol, utilizado tradicionalmente, por etanol rectificado. Se investigó el efecto de la concentración de agua y de la temperatura de reacción sobre el rendimiento de la transesterificación continua de diferentes aceites (se escogió los dos más comúnmente utilizados en Uruguay, como el de soja (SBO) y el de girasol convencional (SFO), y otros aceites menos comunes pero que pre-sentan características atractivas, como el de girasol de alto oleico (HO-SFO) y el de ricino (CO)), en etanol en condiciones supercríticas. Se estudió el efecto de los parámetros operativos más importantes (temperatura, flujo) sobre el rendimiento del proceso y se midió el grado de deterioro sufrido por el material graso expuesto a las condiciones de reacción, evaluando el efecto sobre estos parámetros de la adición de agua en distintos niveles al medio de reacción.

pROCEDIMIENTO ExpERIMENTAL

Materiales Empleados: se utilizó los siguientes aceites refinados: aceite de soja (COAMO, Brasil), aceite de girasol y de girasol de alto oleico (COUSA S.A., Montevideo, Uruguay), los que fueron adquiridos en comercios de venta al públi-co. También se utilizó aceite de ricino (Delaware S.A., Brasil). Para las reaccio-nes de transesterificación se utilizó etanol absoluto y metanol, ambos con 99.9% de pureza (provistos por Merck). El resto de los solventes y estándares fueron adquiridos a Sigma-Aldrich.

Equipamiento utilizado para la transesterificación en alcoholes supercríticos: el sistema utilizado para llevar a cabo las reacciones de transesterificación en me-dio supercrítico constó de un reactor tubular continuo (de 42 mL) al cual se bom-beó la mezcla homogénea de aceite y alcohol a la presión de trabajo, sin la adición de catalizador. El reactor se ubicó en un horno termostatizado a la temperatura de operación deseada. Dicho equipo es propiedad del Laboratorio de Termodinámica Aplicada de la Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões, Departamento de Ciências Agrárias, URI-Campus de Erechim, Brasil (14).

El procedimiento para la transesterificación en alcoholes supercríticos, acon-dicionamiento de los productos para su posterior análisis, contenido de éster y composición en ácidos grasos, grado de descomposición, análisis por GC de los ésteres alquílicos, identificación de todos los isómeros cis/trans y análisis por GC de mono-, di- y triglicéridos se describen detalladamente en (14, 15, 16).


Preparación de los ésteres etílicos del aceite de soja: los ésteres etílicos del aceite de soja se obtuvieron por catálisis química: se pesó 100 gramos de material graso en un Erlenmeyer de 250 mL y se adicionó la cantidad de alcohol necesaria para alcanzar una relación molar alcohol/aceite igual a 6:1. Se adicionó 1,0 g de catalizador (hidróxido de potasio). Se colocó una barra magnética y se mantuvo la mezcla bajo agitación durante 60 minutos en un baño de agua termostatizado a 60ºC. El contenido de éster del producto fue del 97,3%.

RESULTADOS y DISCUSIÓN

Etanólisis en condiciones supercríticas

En la Figura 1 se muestra el contenido de éster de los productos de transeste-rificación en continuo del aceite de soja refinado en etanol supercrítico en función del flujo, para diferentes contenidos de agua en el medio de reacción: 0 ó 5%. Se observa con claridad que, cuando no se adicionó agua al sistema, el máximo con-tenido de éster correspondió a la mayor temperatura de trabajo (350ºC), y con un flujo de 1,5 mL/min; en cambio, cuando se adicionó un 5% de agua dicho máximo se obtuvo a temperaturas inferiores: 300 y 325ºC (con máximos contenidos de éster de, aproximadamente 70%) pero con diferentes flujos. El efecto favorable sobre el contenido de éster de la adición de agua al medio de reacción se reportó en trabajos realizados sobre la síntesis de ésteres metílicos a partir de aceite de colza (8). Estos resultados están de acuerdo con la hipótesis respecto a que la pre-sencia de agua en el medio de reacción implica la existencia de un mecanismo de reacción paralelo al de la transesterificación directa, más rápido que esta última, que involucra la hidrólisis de los triglicéridos seguida por la rápida esterificación de los ácidos grasos libres con el alcohol (8).

En general se observa que, para el rango de temperaturas de 250 a 325ºC, el contenido de éster aumenta con la reducción del flujo, lo que está de acuerdo con un aumento en el porcentaje de conversión con el aumento del tiempo de residen-cia. A diferencia de lo observado a temperaturas más bajas, a 350ºC el máximo contenido de éster no se obtuvo al menor flujo de operación sino que, en todos los casos, los máximos correspondieron a valores de flujo intermedios dentro del ran-go de trabajo. La no coincidencia del máximo contenido de éster con el mínimo flujo de operación está relacionada con la ocurrencia de fenómenos de descompo-sición de los ácidos grasos, favorecidos por las drásticas condiciones del proceso (14, 16). El flujo, por lo tanto, ejerce dos efectos contrapuestos sobre el contenido de éster: por un lado, flujos bajos implican altos tiempos de residencia, lo que

117

favorece el aumento de la conversión (y por tanto del contenido de éster) pero, a la vez, aumenta el tiempo de exposición de los ácidos grasos a las condiciones drásticas de reacción, favoreciendo la ocurrencia de fenómenos de degradación. El valor máximo de contenido de éster fue de 77,5%, para una temperatura de reacción de 350ºC, con el reactor alimentado a 1,5 mL/min de mezcla alcohol/aceite y sin la adición de agua al sistema.

Figura 1: Contenido de éster del producto de transesterificación en continuo del aceite de soja refinado en etanol supercrítico en función del flujo, para diferentes contenidos de agua en el

medio de reacción (a) 0% H2O y (b) 5% H2O.

Cuando se analizó la composición de los ésteres etílicos de los ácidos grasos de los productos obtenidos y se la comparó con los correspondientes del aceite de soja original, se constató varias diferencias importantes. Las diferencias más notorias se vinculan con la desaparición en el producto del pico correspondiente al ácido graso 18:3 y a la aparición de picos correspondientes a isómeros trans de los ácidos grasos 18:1 y 18:2. Incluso se verifica que, si se determina el conteni-do de 18:2 total (suma de todos sus isómeros) en el producto final, es inferior al correspondiente en el aceite de partida, con lo cual también se verifica su parcial desaparición (14). La aparición de los isómeros trans, aunque su contenido puede no afectar al rendimiento del combustible obtenido, se ha reportado que podría afectar negativamente a las propiedades de flujo en frío del biodiesel (17).

Resultó evidente que las diferencias de composición entre el producto y el aceite son más importantes al incrementarse la temperatura de reacción y que estas diferencias implican un producto enriquecido en isómeros trans y empobre-cidos en ácidos grasos insaturados. Existe un mayor efecto de las condiciones de reacción cuanto mayor es el grado de insaturación del ácido graso, lo que es esperable dado la vulnerabilidad asociada al número de insaturaciones de la cadena hidrocarbonada.


Algunos investigadores han atribuido el descenso en el grado de insaturación de los productos en relación al del aceite a cierto grado de “selectividad” del proceso (18, 19), la cual implicaría la conversión de los ácidos grasos saturados a mayor velocidad que los insaturados. Las conclusiones de dichos trabajos no incluyen estudios específicos de velocidad, sino que se basan, simplemente, en el análisis de la composición de los ésteres producidos, por lo que, en este trabajo, no se considera válida esta hipótesis. En cambio, se considera que el proceso, que está catalizado químicamente pero sin la adición de un catalizador exógeno, no presenta selectividad alguna con respecto al tipo de ácido graso: el empobre-cimiento de los productos en los ácidos grasos más insaturados se debe, exclu-sivamente, a su descomposición preferencial, debido a la mayor vulnerabilidad asociada al mayor número de insaturaciones de la cadena hidrocarbonada. Este planteo es coherente con la aparición de isómeros trans en los productos, la cual no puede justificarse por ningún tipo de selectividad ya que el aceite de partida no contenía ácidos grasos trans, pero sí confirma que las condiciones de procesa-miento que involucran un estado energético elevado de las moléculas de los ácidos grasos, es favorable para la ocurrencia de otro tipo de procesos.

La Figura 2 muestra el contenido de éster, mono-, di-, y triglicéridos (MAG, DAG y TAG, respectivamente) y porcentaje de descomposición en los productos obtenidos a diferentes condiciones de reacción.

Se observa que en las condiciones en que la transesterificación se favoreció (desaparición de glicéridos) se favorecieron también los procesos de descompo-sición. En los casos en que no se adicionó agua al medio de reacción, se observa una mayor proporción de glicéridos parciales, la cual se redujo a medida que se disminuyó el flujo y aumentó la temperatura. En el caso del proceso a 300ºC, esta disminución produjo un incremento importante en el contenido de éster, mientras que a 350ºC se observa que el contenido de éster disminuyó por efecto del aumen-to de la descomposición; sin embargo, al flujo de 1,5 mL/min se obtuvo la mayor conversión a ésteres etílicos (77,5%). En cambio, en los casos en que se utilizó etanol con un 10% de agua, los glicéridos se convirtieron en forma más eficiente, pero al incrementar la temperatura aumentó el porcentaje de descomposición y en todos los casos, el máximo contenido de éster se obtuvo a 1,0 mL/min. Los mejores resultados de la etanólisis en cuanto a maximizar el contenido de éster y minimizar el contenido de TAG, DAG, MAG y productos de descomposición fue-ron: 350ºC, ausencia de agua y flujo de 1,5 mL/min. En esas condiciones la suma del porcentaje de éster, MAG, DAG, TAG y de descomposición alcanzó el 100%. En presencia de agua: 300ºC y flujos de 0,8 ó 1,0 mL/min, y al incrementar la temperatura los efectos de la descomposición comienzan a ser más notorios y son la causa por la cual disminuye el contenido de éster; mientras que a 300ºC la

119

presencia de MAG fundamentalmente, junto con DAG y TAG, determina que el avance de la reacción de transesterificación no sea completa.

Figura 2: Contenido de éster, MAG, DAG, TAG y porcentaje de descomposición en los productos obtenidos por transesterificación de aceite de soja refinado en etanol supercrítico: (a) 300ºC, (b) 300ºC con 0 y 10% de agua en cada caso y (c) 350°C, (d) 350ºC con 0 y 10%

de agua en cada caso.

La adición de agua al reactor continuo afectó favorablemente al contenido de éster del producto. Este efecto favorable se puede atribuir a la combinación dos efectos: el aumento de la velocidad de reacción, que transcurre mediante un me-canismo más rápido (hidrólisis + esterificación) y la disminución en el porcentaje de descomposición de los ácidos grasos. Esto constituye una diferencia sustancial con la catálisis química convencional, donde la presencia de agua afecta en for-ma negativa el desarrollo del proceso, mientras que con este método su presencia incluso la favorece (20).


Efecto de la composición del material graso

En la Tabla 1 se muestran los máximos contenidos de éster obtenidos mediante la transesterificación en SC-EtOHa 300 y 350ºC de aceites de diferente origen. Resulta evidente el efecto favorable de la temperatura sobre la conversión de los aceites, ya que a 350ºC se obtuvo contenidos de éster de 7 a 11% superiores a los obtenidos a 300ºC (excepto para el aceite de ricino). El aceite de ricino apa-rece como un caso particular, en el que el incremento de la temperatura de 300 a 350ºC repercutió negativamente, reduciendo en un 20% el contenido de éster. A 300ºC, en donde los procesos de descomposición ocurren a menor velocidad en todos los casos, la disminución del flujo incrementó el contenido de éster del producto, correspondiendo los máximos siempre a 0,8 mL/min (el menor flujo estudiado). Por otro lado, a esta temperatura de trabajo se observó un impor-tante efecto de la presencia de agua en el sistema: los valores más altos de con-versión se obtuvieron con un contenido de agua de 5%. Esto produjo un aumento en el contenido de éster al doble para SBO y HO-SFO respecto a la reacción sin la adición de agua. Para el flujo de 0,8 mL/min en el cual se logró la máxima conversión, el contenido de éster para SBO superó en aproximadamente un 4% al obtenido con SFO y con HO-SFO, a diferencia de lo que ocurrió a 350ºC, en donde no se observó diferencias importantes. En el caso del HO-SFO, el mayor contenido de éster se obtuvo a 350ºC y con un 10% de agua, a diferencia de los otros aceites cuyo máximo se obtuvo en ausencia de agua.

Tabla 1: Máximos contenidos de éster obtenidos con cada tipo de aceite a 300ºC y a 350ºC y las otras condiciones de reacción correspondientes.

Aceite Máximo contenido de éster (%) T (°C) Flujo (mL/min) Contenido de

agua (%)SBO 70,0

300

0,8 5

SFO 66,1 0,8 5

HO-SFO 66,3 0,8 5

CO 74,2 1,5 5

SBO 77,5

350

1,5 0

SFO 78,6 1,0 0

HO-SFO 77,0 1,0 10

CO 54,0 2,0 10

En la Tabla 2 se muestran las corridas en las que se obtuvo el máximo porcen-taje de descomposición con cada tipo de aceite, a 300 y 350ºC, y se indican las condiciones de reacción correspondientes. Los productos obtenidos a 350ºC pre-sentaron porcentajes de descomposición importantes, correspondiendo el máximo

121

valor para el CO (75,1%) y, con menores valores, el SBO (28%) seguido por el SFO (15%) y finalmente por el HO-SFO (5,8%). Los mayores porcentajes de descom-posición correspondieron, en primer lugar, al aceite de ricino y, posteriormente, a los aceites con mayor grado de insaturación (SBO: rico en 18:2 y con un contenido significativo de 18:3; SFO: rico en 18:2; HO-SFO: rico en 18:1). Estos resultados están de acuerdo con la estabilidad oxidativa relativa de estos aceites, determina-da por el método OSI (a 110°C), en donde el HO-SFO es el más estable de los tres. A 300°C se observó que el porcentaje de descomposición no fue muy elevado (salvo para el aceite de ricino que alcanzó un valor de descomposición del 23%); para todos los demás aceites y condiciones de operación, el porcentaje no pasó del 6%.

Tabla 2: Máximos porcentajes de descomposición producidos en los diferentes aceites y condiciones de reacción correspondientes.

Aceite Máxima descomposición (%) T(ºC) Flujo

(mL/min)Contenido de agua

(%)SBO 5,8

300 0,8

0

SFO 4,4 5

HO-SFO 2,1 0

CO 23,0 0

SBO 28,1

350 0,8

5

SFO 15,2 0

HO-SFO 5,7 0

CO 75,1 0

En la Figura 3 se muestra el contenido de éster y el porcentaje de descompo-sición en los productos obtenidos a partir de cada uno de los aceites estudiados, a 350ºC y con un 5% de agregado de agua.

Los resultados obtenidos indican una dependencia entre la composición del aceite y el contenido de éster. Se puede observar que el contenido de éster, inde-pendientemente del flujo considerado, disminuyó en el siguiente orden: HO-SFO > SFO > SBO > CO. Este orden, excepto por el CO, es inverso al que sigue el grado de instauración de cada aceite, lo que confirma la dependencia de la efi-ciencia del proceso con la estabilidad del aceite utilizado. A su vez, los niveles de descomposición confirman la dependencia entre ambos parámetros ya que a mayor contenido de éster, correspondió un menor porcentaje de descomposición. El aceite de girasol de alto oleico fue el que sufrió el menor grado de deterioro; lo siguen, en orden de grado de descomposición ascendente, el aceite de girasol y el de soja. Finalmente, con un muy elevado porcentaje de descomposición, se en-cuentra el aceite de ricino. Por lo tanto, el porcentaje de descomposición aumentó en el siguiente orden: HO-SFO < SFO < SBO << CO. En el caso del aceite de


ricino se observó un comportamiento diferente ya que los resultados obtenidos sugieren que, tanto el proceso de transesterificación como el de descomposición tienen lugar a mayor rapidez que con el resto de los aceites estudiados. Como consecuencia, con este aceite se obtuvo los más altos contenidos de ésteres a tem-peraturas relativamente bajas (300ºC) mientras que, a temperaturas superiores (350ºC), el contenido de éster disminuyó significativamente como resultado de un drástico incremento del porcentaje de descomposición.

Figura 3: Contenido de éster y porcentaje de descomposición obtenido a 350ºC con 5% de agua para cada aceite.

Efecto de la exposición de los ésteres etílicos de soja a las condiciones de operación en etanol supercrítico

Con el fin de simplificar el sistema y para investigar las modificaciones quími-cas que sólo el producto de la reacción (ésteres alquílicos) puede sufrir durante su exposición a las condiciones de la transesterificación supercrítica, se trabajó únicamente con mezclas ésteres etílicos/etanol, las que fueron procesadas con el mismo equipo y las mismas condiciones operativas que las reacciones de transes-terificación (diferentes temperaturas, flujos y contenidos de agua). Las muestras del producto obtenido a la salida del reactor se analizaron a los efectos de deter-minar qué alteraciones sufrieron los ácidos grasos durante este tratamiento.

Como se indicó anteriormente, los ésteres etílicos obtenidos a partir del aceite de soja por catálisis química, contenían un 97,3% de ésteres etílicos. Este pro-ducto, mezclado en una proporción 3 a 40 con etanol, se sometió a las mismas condiciones del proceso de transesterificación supercrítica en continuo. En la Fi-gura 4 se muestra el contenido de éster del producto en función del flujo, para las experiencias efectuadas a las diferentes temperaturas de interés (250 a 375ºC) y

123

el efecto de la temperatura sobre la formación de los isómeros trans en los dis-tintos ácidos grasos insaturados en el rango de temperaturas estudiado con 0% de agua y 0,8 mL/min. Se observó que, a medida que aumentó la temperatura de 250 a 375ºC, se produjo un gradual descenso en el contenido de éster, efecto más notorio a medida que se redujo el flujo de operación. El mínimo contenido de éster a la salida del reactor se situó en el entorno del 60% cuando el mismo se operó a 375ºC y a un flujo de 0,8 mL/min, independientemente del contenido de agua del sistema. Operando al mismo flujo, pero a una temperatura inferior (350ºC), el contenido de éster se incrementó a valores en el rango de 78 - 80%, mientras que a temperaturas aún inferiores (300 ó 250ºC), se obtuvo valores superiores al 90%.

La aproximación de los valores de contenidos de éster del producto a medida que disminuyó la temperatura demuestra claramente el efecto negativo de ope-rar el reactor a temperaturas muy elevadas sobre los propios ésteres etílicos, los cuales sufrirían algún tipo de descomposición. Dado que el reactor fue alimentado exclusivamente con ésteres etílicos (97,3%) y etanol, estos resultados confirman que efectivamente ocurren procesos de degradación cuando el material lipídico se somete a estas condiciones. Dado que en este caso se alimentó el reactor con un sustrato que contenía ésteres prácticamente puros, y que se obtuvo valores del contenido de éster hasta un 30% inferiores a la salida del reactor, estos resulta-dos también confirman la presunción realizada en capítulos previos en relación a que los fenómenos de descomposición de los propios ésteres ejercen un efecto limitante sobre el rendimiento final de las reacciones de transesterificación en condiciones supercríticas.

Al aumentar la temperatura hasta 350ºC aumenta el contenido de isómeros trans de los ésteres del 18:2 de este ácido graso, pero a 375ºC su valor disminuye debido a la descomposición de los mismos. En cambio, con los isómeros cis su valor siempre disminuye, lo cual se hace más evidente a las temperaturas más extremas, en donde sólo se tienen porcentajes de 13,6 y 8,0% a 350 y 375ºC res-pectivamente, cuando los ésteres de partida tenían un porcentaje de 54,4%. Un comportamiento similar se puede observar para los ésteres del 18:3, tanto para los isómeros cis como los trans. En cambio, el contenido de los isómeros cis y de los trans del 18:1 se incrementa al aumentar la temperatura como consecuencia de la mayor desaparición del los ácidos grasos más insaturados (18:2 y 18:3).


Figura 4: (a) Efecto del flujo sobre el contenido de éster de una mezcla de ésteres etílicos, expuestos a etanol supercrítico en un reactor continúo a diferentes temperaturas y con 5% de agua y (b) Porcentaje de ésteres etílicos insaturados discriminando isómeros cis y trans en la

mezcla antes y después de su exposición a SC-EtOH, a un flujo de 0,8 mL/min y sin adición de agua al medio de reacción, en función de la temperatura.

Análisis cinético preliminar

En la Figura 5 se presenta nuevamente un esquema general, en donde se in-cluyen algunos de los procesos que pueden ocurrir durante la exposición de una mezcla triglicérido/alcohol a las condiciones de reacción utilizadas en este traba-jo. Este esquema puede, eventualmente, ser más complejo aún si se incluye, por ejemplo, la hidrólisis de los glicéridos parciales o reacciones secundarias en las que participa el glicerol, como se mencionó previamente (21, 22).

Figura 5: Esquema general de varios de los procesos que pueden ocurrir al exponer un aceite a un alcohol supercrítico.

125

Constantes de velocidad de la reacción de etanólisis

La situación es complicada en extremo al calcular los parámetros cinéticos del proceso, debido a que ello implica la necesidad de determinar las propiedades de los compuestos de interés en las condiciones de reacción, la cual es muy escasa para los valores extremos de temperatura y presión de interés. Si bien en parte este incon-veniente se puede salvar recurriendo a métodos de aproximación sugeridos en la bi-bliografía, esto aún resulta insuficiente ya que estrictamente interesan las propieda-des de la mezcla y no la de los componentes puros individualmente. Finalmente, se debe considerar que a la complejidad propia de una mezcla de multicomponentes, la composición del sistema en régimen varía a lo largo del reactor tubular, ya que la reacción avanza a medida que fluye por éste. Por este motivo, para efectuar el en-foque cinético del proceso se realizó varias aproximaciones a efectos de simplificar la situación planteada. Dichas aproximaciones, inevitablemente condicionaron los resultados obtenidos, por lo que sólo se pretendió realizar una primera “aproxima-ción” a la cinética del proceso, a efectos de poder sacar algunas conclusiones fun-damentales acerca del comportamiento del sistema de interés. Para la estimación de los parámetros cinéticos se debe emplear un modelo de mecanismo de reacción de interés, para el que se considerará una cinética de primer orden, de acuerdo a lo propuesto por Kusdiana y Saka, (12) y He et al., (13).

La Tabla 3 muestra los valores de las constantes aparentes de velocidad para la etanólisis supercrítica. Como era de esperar, los menores valores de la constan-te aparente de velocidad correspondieron a las experiencias realizadas a 250ºC, la menor temperatura de trabajo. Para cada concentración de agua, el aumento de la temperatura hasta 300ºC produjo un gradual incremento de la constante de velocidad. No se observaron diferencias significativas en los valores obteni-dos para 5 y 10% de agua en el medio de reacción, para cualquiera de los tres niveles de temperatura. En todos los casos la presencia de agua en el sistema aceleró el proceso de etanólisis. Por ejemplo, para la reacción transcurriendo a 250ºC la constante de velocidad en ausencia de agua resultó del orden del 42% de las obtenidas con adición de 5% ó 10% de agua al sistema. El proceso trans-curriendo a 275 ó 300ºC, sin la adición de agua, la constante de velocidad fue de aproximadamente un 30% de las correspondientes a esas mismas temperaturas en presencia de agua (tanto 5% como 10% de agua). El incremento de la tem-peratura a 325 y 350ºC, sin embargo, indica un cambio en el comportamiento del sistema con respecto a lo observado a las tres temperaturas más bajas. Si bien las constantes de velocidad correspondientes en ausencia de agua continúan incrementándose con la temperatura, a 5 y 10% de agua el aumento de la tem-peratura por encima de 300ºC parece revertir o detener (respectivamente), dicha tendencia creciente. Hasta 300ºC los valores de la constante de velocidad son


superiores con presencia de agua en el sistema, en cambio a 350ºC es superior en ausencia de agua y a 325°C son muy similares. A las temperaturas más elevadas son más notorios los fenómenos de descomposición de los ácidos grasos, proceso que no está considerado en este planteo cinético, lo que obviamente condiciona los resultados obtenidos.

Tabla 3: Constantes aparentes de velocidad para la etanólisis supercrítica 1 (k, en min-1).

Temperatura (ºC)Porcentaje de agua en el medio de reacción

0% 5% 10%250 0,0029 0,0068 0,0069

275 0,0081 0,026 0,027

300 0,013 0,044 0,043

325 0,030 0,030 0,036

350 0,083 0,022 0,035

El cálculo de parámetros a diferentes temperaturas permite introducir el tra-tamiento de los datos en base al modelo elemental de Arrhenius, a los efectos de estimar la energía de activación (Tabla 4). Este procedimiento es el mismo sugeri-do por Kusdiana y Saka (12), para la metanólisis supercrítica de aceite de colza.

En el caso de los resultados obtenidos con agua adicionada al etanol, se obser-vó un incremento en las energías de activación a valores de 157,8 y 142,1 KJ/mol con 5% y 10% de agua en el medio de reacción, respectivamente. Esto confirma que con la presencia de agua en el medio de reacción el proceso transcurre por un mecanismo de reacción diferente, como ya se mencionó, al cual corresponde una energía de activación superior, por lo que el mismo se ve más influido por varia-ciones de la temperatura de reacción que el proceso transcurriendo sin adicionar agua al medio.

Tabla 4: Energía de activación de la etanólisis supercrítica de aceite de soja a 20 MPa y con una relación molar aceite/etanol = 1:40.

0% H2O 5% H2O 10% H2OEa (kJ/mol) 86,9 157,8 142,1

1 Condiciones de reacción: 20 MPa, relación molar etanol/aceite de soja = 40:1

127

parámetros cinéticos de la descomposición de los ésteres etílicos

La presencia de fenómenos de descomposición ha sido discutida y aparece afectando los resultados del enfoque cinético propuesto. Dado que se dispone de resultados relativos al progreso de la descomposición de los ésteres etílicos puros expuestos a SC-EtOH, resulta interesante comparar los parámetros cinéticos de este proceso con los obtenidos para la transesterificación.

La Tabla 5 muestra los valores de constante obtenidos; en todos los casos, a medida que se aumentó la temperatura aumentaron los valores de la constante cinética de la descomposición de los ésteres, independientemente del contenido de agua en el alcohol. Estos resultados coinciden con lo observado anteriormente, donde se verificó que el porcentaje de descomposición que acompaña a la transes-terificación siempre se incrementó con el aumento de la temperatura. Si bien en el estudio del porcentaje de descomposición se comprobó cierto efecto “atenuador” de la presencia de agua en el medio de reacción, los resultados de kd no permiten concluir nada al respecto, ya que, para cada temperatura, se obtuvo valores de la constante del mismo orden en los tres niveles de agua. De todas maneras se debe considerar que estos resultados no corresponden a una transesterificación, por lo que no se trata de resultados totalmente extrapolables a dicha situación.

Tabla 5: Constantes cinéticas del proceso de descomposición de los ésteres etílicos puros del aceite de soja (kd) durante su exposición a SC-EtOH, en función de la temperatura y del contenido de agua del alcohol.

Temperatura (ºC)Porcentaje de agua en el SC-EtOH

0% 5% 10%300 0,0009 0,0012 0,0009

350 0,0035 0,0059 0,0045

375 0,017 0,014 0,014

Dado que se dispone de valores de las constantes de velocidad a diferentes temperaturas, también en este caso se supone que se puede aplicar un modelo tipo Arrhenius.

En la Tabla 6 se muestra los valores de la energía de activación. Si bien existe alguna diferencia entre estos valores, todos son del mismo orden y, dado el error del método, no es posible afirmar que exista una diferencia real entre las constan-tes obtenidas a cada porcentaje de agua.

Realizada esta consideración, se puede tomar un rango de 100 a 115 kJ/mol para el valor de la energía de activación correspondiente a la descomposición de los ésteres etílicos de soja, independientemente del contenido de agua en el alcohol. Si este rango se compara con los valores de la energía de activación ob-


tenidos para la transesterificación (Tabla 4), se observa que en el caso del etanol anhidro (Ea=86,9 kJ/mol) se encuentra por debajo de dicho rango. Por el con-trario, los valores correspondientes a 5 y 10% de agua en el etanol (Ea=157,8 y 142,1 kJ/mol, respectivamente, Tabla 4) se encuentran por encima del mismo.

Tabla 6: Energías de activación correspondientes al proceso de descomposición de los ésteres etílicos puros del aceite de soja (EaD) expuestos a SC-EtOH, a 20 MPa y con una relación molar ésteres/etanol = 3:40.

0% H2O 5% H2O 10% H2OEaD (kJ/mol) 114,5 100,5 109,0

En términos prácticos, esto indica que el efecto del incremento de tempe-ratura sobre la cinética de la descomposición de los ésteres etílicos repercute en igual grado haya o no agua adicionada al mismo, mientras que la situación es diferente en el caso de la velocidad de la reacción de la transesterificación. La velocidad de esta reacción se verá afectada en una proporción menor que la velocidad de la descomposición en caso de no adicionarse agua al sistema (a 0% de agua: Ea < EaD), lo que indica que para maximizar el contenido de éster (minimizar la descomposición, en realidad) el proceso debería ser conducido a la mínima temperatura posible y por tiempos prolongados. En cambio, en los casos en que la reacción transcurre con agua adicionada al alcohol, resultará prefe-rible conducir el mismo a la mayor temperatura posible por tiempos cortos, ya que el incremento de temperatura afectará en mayor proporción a la velocidad de transesterificación que a la de descomposición.

CONCLUSIONES

La elaboración de biodiesel en alcoholes supercríticos puede ser realizada en forma eficiente si se elige convenientemente los parámetros operativos del proce-so. En este trabajo, se obtuvo contenidos máximos de éster en el entorno del 80%, operando un reactor continuo de 42 mL a una temperatura de 350ºC, una presión de 20 MPa y una relación molar alcohol/aceite de 40:1, para flujos y contenidos de agua variables según el aceite utilizado.

El análisis de los productos de reacción demostró que la exposición del mate-rial lipídico a condiciones extremas de temperatura y presión produjo la aparición de isómeros trans de todos los ácidos grasos insaturados y la reducción relativa del porcentaje de los más insaturados.

129

A las temperaturas más altas (325-350ºC) y al menor flujo de trabajo (0,8 mL/min), condición más comprometida en lo relativo al tiempo de exposición del material a las condiciones del proceso, se observó importantes porcentajes de descomposición del material graso. En estas condiciones, el aceite de soja presentó un valor máximo de descomposición del 26% y, dado que los productos se obtuvieron libres de glicéridos (mono-, di- o triglicéridos), se dedujo que la conversión del aceite fue completa, por lo que los productos de descomposición remanentes fueron la principal causa que limitó el contenido de éster determinado en el producto final.

En general, la adición de agua al alcohol destinado al proceso afectó favora-blemente al rendimiento de la transesterificación en alcoholes supercríticos, lo que constituyó una diferencia muy significativa en relación al proceso conducido mediante la catálisis química convencional, el cual requiere el empleo de reacti-vos anhidros. Este efecto favorable se atribuyó a la combinación de dos fenóme-nos vinculados con la presencia de agua en el medio de reacción: el aumento de la velocidad de reacción y la disminución de la degradación de los ácidos grasos.

El proceso de conversión de los diferentes aceites refinados de soja (SBO), girasol (SFO) y girasol de alto oleico (HO-SFO) fue relativamente eficiente y los resultados obtenidos en las condiciones más drásticas de reacción indicaron una alta dependencia entre la composición en ácidos grasos del aceite y el contenido de éster del producto. Esto confirma que en este tipo de proceso la ocurrencia de fenómenos de descomposición es más importante a mayor grado de insaturación del aceite destinado al proceso. En relación a la conversión a biodiesel del aceite de ricino en etanol supercrítico, se observó algunas características del proceso que lo diferencian en gran medida del conducido con aceites “convencionales”: los rendimientos máximos se obtuvieron a temperaturas más moderadas, la adi-ción de agua al medio de reacción presentó un efecto muy favorable sobre el contenido de éster y a las temperaturas máximas de trabajo la degradación del material lipídico fue extremadamente alta.

El método supercrítico sin catalizador se puede considerar una alternativa válida a la catálisis química convencional para la síntesis de biodiesel, debiendo considerar las características de la materia prima a utilizar para la selección de los parámetros operativos óptimos.

Dado que la mayoría de las normativas sobre biodiesel exigen que esté constitui-do por no menos de un 96,5% de ésteres alquílicos, los trabajos en esta área con-tinuarán enfocados a maximizar el contenido de éster, lo que únicamente se podrá lograr a costa de disminuir el grado de descomposición. Así mismo se considera relevante estudiar un mecanismo cinético más elaborado que represente en forma más adecuada la complejidad del sistema involucrado en el proceso de interés.


REFERENCIAS

Antolin, G., Tinaut, F.V., Briceño, Y., Castaño, V., Perez, C. and Ramirez, A. I., Optimization of biodiesel production by sunflower oil transesterification. Bioresource Technology 83, 111–114 (2002).

Dunn, R. O., Thermal analysis of alternative diesel fuels from vegetable oils, Journal of the American Oil Chemists’ Society 76(1), 109-115 (1999).

Goodrum, J. W., Geller, D. P. and Adams, T. T., Rheological characterization of yellow grease and poultry fat. Journal of the American Oil Chemists’ Society 79 (10), 961-964 (2002).

Meher, L.C., Vidya Sagar, D., and Naik, S.N., Technical aspects of biodiesel production by transesterification—a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 10, 248–268 (2006).

Gil, M., Jachmanián, I, and Grompone, M.A., Propiedades fisicoquímicas de los ésteres obtenidos a partir de sebo vacuno con diferentes alcoholes para su posible utilización como biodiesel. Ingeniería Química 24, 23-32 (2003).

Kusdiana, D., and Saka, S., Biodiesel fuel from rapeseed oil as prepared in supercritical methanol. Fuel 80, 225-231 (2001a).

Demirbas, A., Biodiesel from vegetable oils via transesterification in supercritical methanol. Energy: Conversion & Management 43, 2349-2356 (2002).

Kusdiana, D., and Saka, S., Effects of water on biodiesel fuel production by supercritical methanol treatment. Bioresource Technology 91, 289–295, (2004).

Madras, G., Kolluru, C., and Kumar, R., Synthesis of biodiesel in supercritical fluids. Fuel 83, 2029–2033 (2004).

Warabi Y., Kusdiana D., and Saka S., Reactivity of triglycerides and fatty acids of rapeseed oil in supercritical alcohols. Bioresource Technology 91, 283–287, (2004).

Savage, P., Gopalan, S., Mizan, T., Martino, C., and Brock, E. Reactions at supercritical conditions: applications and fundamentals. Reactors, Kinetics and Catalysis 41, 1723-1756 (1995).

Kusdiana, D., and Saka, S., Kinetics of transesterification in rapeseed oil to biodiesel fuel as treated in supercritical methanol. Fuel 80, 693-698 (2001b).

131

He, H., Wang, T., and Zhu, S., Continuous production of biodiesel fuel from vegetable oil using supercritical methanol process. Fuel 86, 442-447 (2007).

Vieitez, I., Borges, G., Corazza, F., Vladimir Oliveira, J., Grompone, M.A., and Jachmanián, I., Métodos alternativos para la fabricación de Biodiesel (II): Tecnología supercrítica. Ingeniería química 35, 39-43 (2009).

Vieitez, I., Da Silva, C., Borges, G., Corazza, F., Vladimir Oliveira, J., Grompone, M.A., and Jachmanián, I., Continuous production of soybean biodiesel in supercritical ethanol-water mixtures. Energy & fuel 22 (4), 2805-2809 (2008).

Vieitez, I., Da Silva, C., Alckmin, I., Borges, G., Corazza, F., Vladimir Oliveira, J., Grompone, M.A. and Jachmanián, I., Effect of Temperature on the Continuous Synthesis of Soybean Esters under Supercritical Ethanol. Energy & fuel 23 (1), 558-563 (2009).

Imahara H, Minami E, Hari S, and Saka S., Thermal stability of biodiesel in supercritical methanol. Fuel 87, 1-6 (2008).

Rathore, V., Madras, G., Synthesis of biodiesel from edible and non-edible oils in supercritical alcohols and enzymatic synthesis in supercritical carbon dioxide. Fuel 86, 2650-2659 (2007).

Varma, M., and Madras, G., Synthesis of Biodiesel from Castor Oil and Linseed Oil in Supercritical Fluids. Industrial & Engineering Chemistry Research 46, 1-6 (2007).

Vieitez, I., Da Silva, C., Alckmin, I., Borges, G., Corazza, F., Vladimir Oliveira, J., Grompone, M.A. and Jachmanián, I., Continuous Methanolysis and Ethanolysis of Soybean Oil. Renewable energy 35, 1976-1981 (2010).

Aimaretti, N., Manuale, D.L., Mazzieri, V.M., Vera, C.R., and Yori, C., Batch Study of Glycerol Decomposition in One-Stage Supercritical Production of Biodiesel. Energy & Fuel 23, 1076-1080 (2009).

Anitescu, G., Deshpande, A., and Tavlarides, L., Integrated technology for supercritical biodiesel production and power cogeneration. Energy & Fuel 22, 1391-1399 (2008).

<<<

133

>>> pEQUEÑO CONDOMINIO DE AGROENERGíA A pARTIR DEL BIOGÁS pROVENIENTE DEL TRATAMIENTO DE DEyECCIONES DE pORCINOS: UN ESTUDIO DE CASO EN EL MUNICIpIO DE TUCUNDUVA, RS

Rodrigo Barichello

RESUMEN

La cría de porcinos es considerada una actividad de gran potencial contami-nante, debido a los excrementos generados por los porcinos (deyecciones). Como forma de minimizar esos efectos, la tecnología de digestión anaeróbica en bio-digestores es una de las posibilidades para el combate contra la contaminación generada por la cría de porcinos y, al mismo tiempo, agrega valor a las propie-dades rurales. El presente trabajo presenta un caso práctico de la implantación de biodigestores en dos propiedades de tamaño mediano criadoras de porcinos y, en consecuencia, la creación de un pequeño condominio de agroenergía, en el cual un gasoducto interconecta las dos propiedades en cuestión, con el objetivo de producción de energía eléctrica aislada que utiliza biogás como combustible en un motor de combustión interna, instalado en una de las propiedades. La planta de producción consiste en un motor estacionario adaptado para operar con bio-gás, acoplado a un generador eléctrico trifásico de 30 kVA nominales. El estudio revela que la aplicación del proyecto para la producción de energía eléctrica ais-lada es viable y que la eficiencia global del sistema es satisfactoria, permitiendo inclusive que se exploten las opciones de cogeneración y de emisión certificada de carbono (créditos de carbono).

PALABRAS CLAVE: biodigestor, producción de energía eléctrica con biogás, condominios de agroenergía.

ABSTRACT

The swine is considered an activity of high pollution potential due to manure generated by pigs (manure). In order to minimize the effects, the technology of anaerobic digestion in biodigesters is one possibility for combating pollution from the pig and at the same time, adds value to rural properties. This paper presents

pOST

GR

AD

O


a case study of the implementation of digesters in two medium size properties of pig farmers, and therefore the creation of a small condominium agroenergy, in which a pipeline linking the two properties in question in order to generate energy electrical isolation using biogas as fuel in an internal combustion engine, installed in one of the properties. The generation plant consists of a stationary engine adapted to operate on biogas, electric generator coupled to a three-phase 30 kVA rating. The study reveals that the implementation of the project for power generation alone is feasible and the overall efficiency of the system is satisfactory, and may also be explored options for co-generation and emission certified carbon (carbon credits).

KEYWORDS: biomass, digester gas, electric power generation with biogas, condominiums bioenergy.

INTRODUCCIÓN

El medio rural brasileño pasó por una intensa revolución tecnológica durante las últimas décadas, que culminó en un considerable aumento de la productivi-dad en el campo. Por otro lado, las operaciones agrícolas se han mostrado como grandes generadoras de residuos en todo el mundo (TSAI et al., 2004; MIN et al., 2005; ARVANITOYANNIS; LADAS, 2008; WAGNER et al., 2009). Espe-cialmente con relación a la producción brasileña de porcinos, las deyecciones normalmente se lanzan sin tratamiento a los ríos y manantiales (ANGONESE et al., 2006), lo que demuestra el enorme potencial contaminante, pues ese material contiene heces, orina, restos de alimentos no ingeridos y los gérmenes y bacterias asociados (ARVANITOYANNIS; LADAS, 2008).

La actividad de cría de porcinos ha mostrado significativo crecimiento. Con el aumento de la producción, también aumenta la cantidad de deyecciones pro-ducidas. La tecnificación para el tratamiento de las deyecciones porcinas es el gran desafío para la sostenibilidad de esta actividad. Es necesario evitar que se continúen lanzando volúmenes tan grandes de deyecciones al medio ambiente, contaminando los manantiales, el suelo y el aire, pues ponen en riesgo no sola-mente la calidad de vida de las poblaciones rurales y urbanas, sino también la so-brevivencia de la fauna y de la flora de las regiones en las que están los criaderos.

En este contexto, la tecnología de digestión anaeróbica en biodigestores es una de las posibilidades para el combate contra la contaminación generada por esta actividad que, al mismo tiempo, agrega valor a las propiedades rurales. El uso de biodigestores ha merecido importante destaque debido a los aspectos de sa-

135

neamiento y energía, además de estimular el reciclaje de nutrientes. La digestión anaeróbica de los residuos animales a través del biodigestor resulta en la produc-ción de biogás (gas inflamable), compuesto básicamente de metano (CH4 – 60% a 70%), anhídrido carbónico (CO2 – 30%) (OLIVEIRA, 2004) y biofertilizante.

El uso de los subproductos del proceso de biodigestión (biogás y biofertilizante) permite dar valor a las deyecciones porcinas en las propiedades, transformando un pasivo ambiental en oportunidades, ya que el ítem energía se destaca cada vez más por la interferencia en el costo final de la producción: en el caso de la cría de porcinos, es un factor que merece consideración especial, ya que las oscilaciones de precio del producto reducen la competitividad del sector. El aprovechamiento energético del biogás tiene el objetivo de mejorar el rendimiento global del trata-miento de las deyecciones porcinas, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero, colaborando para aumentar la eficiencia energética de la propiedad rural y, en consecuencia, la sostenibilidad de la producción.

En ese contexto, el presente trabajo presenta un caso práctico de la implan-tación de un pequeño condominio de agroenergía, en el cual se construyó un ga-soducto para interconectar el biogás producido en las dos propiedades de tamaño mediano en una pequeña central de recepción, con el objetivo de producción de energía eléctrica aislada que utiliza el biogás como combustible en un motor de combustión interna, instalado en una de las propiedades. La planta de producción consiste en un motor estacionario adaptado para operar con biogás, acoplado a un generador eléctrico trifásico de 30 kVA nominales, teniendo también la posibilidad de explotar las opciones de cogeneración y de emisión certificada de carbono (créditos de carbono).

producción de biogás y de biofertilizante en la cría de porcinos: el biodigestor

El biodigestor es un equipo en el cual la fermentación de la materia orgánica ocurre de manera controlada, proporcionando la reducción del impacto ambiental y la producción de combustible de bajo costo. La fermentación de los residuos ocurre mediante la acción de organismos microscópicos llamados bacterias. El proceso de descomposición de la materia orgánica resulta en la producción de biogás y en restos digeridos sin olor (biofertilizante) (INSTITUTO SADIA DE SUSTENTABILIDADE, 2006).

El biodigestor es una especie de máquina viva que requiere supervisión conti-nua, para la maximización del proceso. La contribución principal de ese sistema es que las deyecciones producidas en la propiedad se transforman en gas inflama-ble y los residuos del proceso también se pueden usar como fertilizantes.


Biogás

La digestión anaeróbica es un proceso de tratamiento de materiales orgáni-cos que se desarrolla en la ausencia de oxígeno y, simultáneamente, una opción energética, con reconocida ventaja ambiental. Uno de los beneficios del proceso, que rápidamente contribuyó con el creciente interés por esa tecnología, está en la conversión de la mayor parte de la carga contaminante del efluente en una fuente de energía: el biogás.

El biogás proveniente de la actividad de los microorganismos está compuesto por una mezcla de varios gases, entre ellos metano, anhídrido carbónico, hidróge-no y dióxido de azufre. El biogás es inflamable debido al metano, gas más liviano que el aire, incoloro e inodoro. Lo que causa el olor en el biogás es el dióxido de azufre, que, aun en cantidades pequeñas, es perceptible por el olfato y bastante corrosivo (INSTITUTO SADIA DE SUSTENTABILIDADE, 2006).

Los microorganismos que actúan en la ausencia de oxígeno atacan a la estruc-tura de materiales orgánicos complejos, produciendo compuestos simples como el metano (CH4) y el anhídrido carbónico (CO2), como se observa en la Figura 1 (BITTON, 2005). La composición típica del biogás es aproximadamente 60% de metano, 35% de anhídrido carbónico y 5% de una mezcla de hidrógeno, nitró-geno, amoníaco, sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono, aminos volátiles y oxígeno (WEREKO-BROBBY; HAGEN, 2000).

Para que ocurra la fermentación de la materia orgánica, las bacterias requie-ren un ambiente favorable para su crecimiento y desarrollo, como, por ejemplo, ausencia de compuestos químicos tóxicos (jabón, detergente); temperatura ade-

137

cuada (entre 30°C y 45°C); presencia de materia orgánica (deyecciones); y au-sencia de aire. Por lo tanto, cualquier interferencia en esos factores podrá causar reducción en la producción de biogás (SEIXAS; MARCHETTI, 1981).

Los microorganismos productores de metano son sensibles a las variaciones de temperatura, por lo tanto se recomienda asegurar su estabilidad, sea a través del calentamiento interno, o por una mejor aislación térmica de la cámara de digestión durante los meses de invierno. Ese punto es bastante crítico, pues en los meses de invierno hay mayor demanda de energía térmica y una tendencia de los biodigestores a producir volúmenes menores de biogás, lo que ocurre por las bajas temperaturas.

Pipatmanomai et al. (2009) expresan que se puede generar biogás de los resi-duos domésticos, albañales, rellenos sanitarios y, en el caso de la cría de porcinos, de los residuos animales y de las aguas residuales. Estudios realizados por Em-brapa Suínos e Aves indican que, en promedio, para cada 76 litros de deyecciones líquidas de porcino, se obtiene la formación de 1 m³ de biogás.

Conversión del biogás en energía eléctrica

El aprovechamiento de los residuos sólidos agropecuarios, urbanos (basura) e industriales ofrece varias ventajas socioambientales y, por eso, existe gran interés en posibilitar su aprovechamiento energético. La producción de energía eléctrica a partir de esos materiales ya ofrece alternativas tecnológicas maduras.

Para Tsai et al. (2004), la producción de energía a través de fuentes renovables como la biomasa alcanzó un status más elevado a partir de la década de 1970, con la crisis mundial del petróleo. La biomasa es atractiva como fuente alterna-tiva de energía desde el punto de vista de la sostenibilidad, pues, además de la ganancia explícita para el medio ambiente, hay ganancias directas e indirectas desde el punto de vista social, y se ha mostrado viable desde el punto de vista económico.

Como fue mencionado aquí, ya existen varias tecnologías para realizar la con-versión energética del biogás. Se entiende por conversión energética el proceso que transforma un tipo de energía en otro. En el caso del biogás, la energía quí-mica contenida en sus moléculas se convierte en energía mecánica por un proceso de combustión controlada. Esa energía mecánica acciona un generador, que la convierte en energía eléctrica.

Cooperativismo con biogás (condominios de agroenergía)

Bley Júnior (2009) explica que el biogás, como producto y como fuente reno-vable de energías, se puede explotar en sistemas cooperativos. Para eso, los bio-


digestores se pueden interconectar por gasoductos rurales, formando conjuntos de redes interconectadas con administración asociativa, configuradas de manera que permitan la organización territorial. Son muy interesantes, porque ofrecen escala para la economía del biogás.

Los condominios tienen la posibilidad de asociarse interconectando sus ga-soductos a una sola central generadora de energía, para proporcionar una econo-mía en escala sumamente viable para los participantes y resultados importantes en los ámbitos ambiental, energético y, principalmente, económico. Esa organi-zación tiene como perspectiva un modelo de cooperativismo con biogás, indepen-dientemente del vínculo del productor con otras cooperativas, o integraciones.

El autor cita, también, que las cooperativas de electrificación rural, que tienen dificultades para ingresar en el proceso de producción de energía por las limita-ciones legales, pueden encontrar en los condominios asociados una interesante solución económica.

En ese contexto, Itaipú Binacional ejerce un papel fundamental. La institución se ha dedicado al estudio y a la demostración de la viabilidad técnica y económica de la producción de energía eléctrica a través del biogás y del saneamiento am-biental en varias escalas de producción, implantando, por medio de su Dirección de Energías Renovables, un laboratorio al aire libre en la región oeste del Paraná, PR. Se han creado y se están construyendo unidades prototipo en la región, las cuales permiten desarrollar varios estudios relativos al biogás producido por los residuos y efluentes orgánicos, como el estudio de viabilidad económica, estudio de producción distribuida o descentralizada de energía eléctrica, térmica y ve-hicular, e inclusive estudios sobre mecanismos de desarrollo limpio (MDL) para obtener créditos de carbono.

El presente trabajo contribuye con lo que ya se está implantando y estudiando sobre el asunto, demostrando que el cooperativismo en biogás es posible en peque-ños grupos de productores (en este estudio, solamente dos), ya que las distancias entre las propiedades no permiten la interconexión de varios biodigestores.

METODOLOGíA DEL ESTUDIO

Según Lakatos (2001), la realización de una investigación es una actividad básica y esencial para el desarrollo del conocimiento, pues, a través de ella, se busca nueva información, nuevas propuestas e nuevas acciones para el desarrollo socioeconómico/ambiental. La naturaleza de este trabajo, de acuerdo con el tema y los objetivos establecidos, se caracteriza como una investigación de tipo explo-

139

ratoria y utiliza los métodos cuantitativo y cualitativo para realizar la recolección y el análisis de los datos de las propiedades rurales.

La técnica utilizada en esta investigación es el estudio de caso, pues se investi-gó un fenómeno dentro de su contexto real, en el cual las condiciones contextuales se refieren al objeto que se está estudiando. Yng (2005) comenta que la elección de la metodología de estudio de caso se debe al hecho de ser una técnica de in-vestigación de comportamientos que no se pueden manejar aisladamente y que se deben analizar en conjunto.

Según Bruyne (1997, p. 224), “el estudio de caso reúne tanta información y tan detallada como sea posible, con el objetivo de captar la totalidad de la situación”.

Se realizó un seguimiento en las propiedades rurales de los procesos involucra-dos en un periodo anterior a la implantación del sistema de biodigestión, durante y después de su implantación, hasta su total inclusión en las actividades diarias de la propiedad. Por lo tanto, se investigó un fenómeno dentro de su contexto real, aumentando la credibilidad de las conclusiones obtenidas.

DESARROLLO y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

propiedades del estudio

Las propiedades protagonistas de este estudio están ubicadas en la línea Cam-pininha Tucunduva, en el municipio de Tucunduva, región noroeste del Estado de Rio Grande do Sul.

La propiedad “A” se configura como una unidad productora de lechones (UPL) de 8 kg, con un plantel de 400 matrices y un volumen diario de deyecciones cal-culado en 18 m3. Para un mejor entendimiento, la UPL hasta 8 kg es el proceso de cría que incluye básicamente las etapas de reproducción y su producto final es la producción de lechones con peso promedio de 6 kg a 8 kg con sólo 20 días de edad, como promedio. Después del destete, se envían a otro establecimiento, para la etapa de guardería.

La propiedad “B” se configura como una UPL de 23 kg, con un plantel de 550 matrices y un volumen diario de deyecciones calculado en 25 m3. En esta, el pro-ceso de producción incluye básicamente las etapas de reproducción y su producto final es la producción de lechones con peso promedio de 18 kg a 23 kg, entre 50 y 60 días de edad. Este criadero, además de los reproductores, tiene la etapa de guardería, en la cual los lechones permanecen desde el destete hasta el envío a otro establecimiento, para la etapa de terminación (engorde).


En la Figura 2, se puede ver la ubicación de las propiedades, así como la posi-ción geográfica de cada una con respecto a las otras.

Figura 2 – Visualización de las propiedades Fuente: Google Earth (2011)

Contexto

Ambas propiedades iniciaron sus actividades en la cría de porcinos a mediados de la década de 1990. En 2002, firmaron un acuerdo con la agroindustria Sadia S.A., en un sistema de alianza. Bonett y Monticelli (1998) explican que el siste-ma de alianza se formaliza mediante contratos que exponen exigencias con res-pecto al origen de la genética y de la ración, especificaciones técnicas de manejo y obtención de medicamentos, y el suministro de asistencia técnica y transporte. Los contratos ofrecen garantías formales de compra y venta para las agroindus-trias aliadas y especificaciones de volumen y plazos, exigencia de exclusividad y definición de un precio de referencia y de criterios de remuneración de acuerdo con el rendimiento y la uniformidad.

En 2004, la empresa creó el llamado Programa de Suinocultura Sustentável Sadia (programa de cría sostenible de porcinos, de Sadia), el Programa 3S. La meta era llevar a los pequeños y medianos criadores en sistema de alianza al sofisticado mercado de créditos de carbono y asegurar una importante fuente de ingresos para los criadores de porcinos.

141

La concepción del proyecto comenzó con la posibilidad de generar créditos de carbono con los bosques de eucalipto de la empresa, plantados para abastecer con biomasa al proceso industrial de producción de vapor. Eso llevó a Sadia a iniciar, en 2003, estudios sobre MDL.

Según Sadia (2006), la conclusión fue que el proyecto más prometedor estaba en la cría de porcinos, pues la carga orgánica contaminante de las deyecciones de porcinos es 25 veces mayor que la del ser humano. En las regiones con gran con-centración de porcinos, parte de esas deyecciones se lanza al suelo y a los cursos de agua, sin tratamiento adecuado. Para tener una idea de lo que eso significa, una granja de 300 matrices puede producir contaminación equivalente a una ciu-dad de 75 mil habitantes.

De esa manera, el proyecto de MDL previó la instalación de biodigestores y tuvo como objetivo extender la iniciativa a todos los criadores de porcinos inte-grados de Sadia; así, productores con propiedades medianas y pequeñas tendrían la oportunidad de acceder al mercado de crédito de carbono.

El programa estableció que el criador de porcinos recibiría los aparatos en régimen de comodato y disminuiría la inversión al generar sus créditos de carbo-no, que serían negociados por el Instituto (Figura 3 – Organigrama del Progra-ma 3S). El propio modelo de biodigestor fue solicitado por Sadia a proveedores nacionales, para tener un costo accesible hasta para los menores productores, aquellos que tienen planteles de hasta 300 animales en las granjas.

Figura 3 – Organigrama del Programa 3SFuente: Instituto Sadia de Sustentabilidade

Durante todo el 2005, Sadia promovió una amplia divulgación a los criadores de porcinos con los que tenía contrato en sistema de alianza, y la adhesión al proyecto era voluntaria. La inversión de los productores fue mínima y de acuerdo con la viabilidad económica de cada uno. De parte de Sadia, se obtuvieron R$ 60


millones de una financiación aprobada por el Banco Nacional de Desarrollo Eco-nómico y Social (BNDES).

En ese contexto, las propiedades “A” y “B” se unieron al Proyecto e instalaron biodigestores en sus sistemas productivos.

Iniciativa de la producción de energía eléctrica a través del biogás

Después de instalados los equipos, por determinado periodo sólo se quemaba el biogás producido en los biodigestores en flare (equipo que quema el biogás en altas temperaturas) para acreditar el crédito de carbono, y no se utilizaba de otra manera en la propiedad. Viendo otras oportunidades, comenzaron los estudios por parte de los propietarios para propiciar otras formas de aprove-chamiento del biogás, sin que hubiera interferencia en el proyecto de los MDL (crédito de carbono). Entonces, durante el proceso surge la posibilidad de pro-ducción de energía aislada.

La iniciativa de producción de energía eléctrica a partir del biogás proveniente del tratamiento de las deyecciones de los porcinos comenzó con la propiedad “A”. Después de muchos estudios, tanto de viabilidad técnica, como de viabilidad eco-nómica, en abril de 2010, la propiedad “A” adecuó sus procesos para propiciar el proyecto de producción de energía eléctrica a través del biogás.

producción de energía eléctrica: descripción del proceso

Para entender mejor el sistema, se detalla, paso a paso, el proceso de trata-miento de las deyecciones de los porcinos hasta la etapa de producción de energía eléctrica aislada.

El terreno en el que la propiedad “A” está ubicada posibilitó la instalación del biodigestor y la implantación de unidades colectoras de deyecciones de manera más racional, facilitando las condiciones de manejo. El terreno tiene un poco de declive, permitiendo que las deyecciones producidas en la unidad productiva circulen por tubos de 150 mm (PVC), sin necesidad de bombeo, hasta un tanque de homogeneización de caudal (Figura 4). Todas las deyecciones producidas en la propiedad llegan al interior del biodigestor, en donde pasan por un tiempo de residencia hidráulica calculado en 30 días.

143

Figura 4 – Cañería colectora de deyecciones

El biodigestor construido en la propiedad es del modelo canadiense (Figura 5), de operación continua, y su producción calculada de biogás corresponde a 150 m3 por día, considerando un caudal promedio de deyecciones de 17 m3 por día.

Figura 5 – Biodigestor modelo canadiense


Además del propio biodigestor, la propiedad instaló un sistema de almacena-miento de biogás. Después del proceso de biodigestión, se envía el biogás a un globo de almacenamiento, a través de una cañería rígida de PVC de 50 mm de diámetro (Figuras 6 y 7), para usarlo posteriormente como combustible en el conjunto motor/generador.

Figura 6 – Globo de almacenamiento

Figura 7 – Biodigestor y globo de almacenamiento

Después de estar en el globo de almacenamiento, el biogás se envía por la ca-ñería al conjunto motor/generador, instalado en la propiedad, que consiste en un motor de combustión interna (diesel) adaptado al uso del biogás como combus-

145

tible, acoplado a un generador de electricidad, produciendo energía dentro de la propiedad, con un sistema de distribución interno y aislado, en el que existe una caja de comando. En esa caja de comando, se encuentran la energía producida por el grupo generador a biogás y la que viene de la empresa de electricidad local. Mediante el accionamiento de una llave central, el propietario criador elige cual energía quiere utilizar.

El biogás almacenado se transporta a través de una cañería rígida de PVC de 50 mm de diámetro. En esa cañería existen uno o más puntos de purga de agua. También, en la red de distribución del biogás para el conjunto generador se ins-taló un sistema de filtro (Figura 8), con limadura de hierro en su interior, con el objetivo de retirar el H2S.

Figura 8 – Filtrado del biogás

El conjunto motor/generador de electricidad trifásico instalado (Figura 9) tie-ne las siguientes especificaciones: modelo GGB 30 kVA Biogás, con potencia de 30 kVA stand-by / 25 kVA continuo; control de rotación electrónico por sensor electromagnético; chasis con perfil U doblado; medidas altura/ancho/largo de 1.200 mm x 1.000 mm x 2.000 mm, peso de 1.000 kg; generador marca WEG, con acoplamiento del tipo rígido con brida; grado de protección IP-21; número de polos igual a 4; rotación de 1.800 RPM; frecuencia de 60 Hz; tensión de 380 V; y motor marca Ford 4.9.


Figura 9 – Conjunto motor/generador

El conjunto motor/generador instalado requiere algunos cuidados de acuerdo con las recomendaciones para mantenimiento del sistema: cambio de aceite y filtro cada 250 h – en total son 6 L de aceite en el momento del cambio del filtro, pues siempre es necesario cambiarlo; el cambio de las bujías cada 500 h, limpián-dolas cada 250 h; verificación semanal de la tensión de la correa del alternador; y verificación diaria del agua del sistema de refrigeración y del nivel de aceite.

Se instaló el conjunto motor/generador en la mencionada granja en abril de 2010 y funcionaba durante 10 a 12 h/día. El consumo de biogás observado varia-ba de 10 a 15 m3/h en el conjunto motor/generador, dependiendo de la potencia eléctrica generada.

La producción de energía eléctrica mediante el conjunto motor/generador, en un sistema aislado, depende del consumo de energía de la propiedad, o sea, el motor funciona a una velocidad de acuerdo con la necesidad de producción de energía, ya que no hay excedente de producción. En ese periodo en el que el bio-gás era proveniente de una propiedad sola, se producía un promedio de 1.700 KW/h por mes.

El monitoreo de la producción de energía eléctrica para evaluación técnica del sistema demostró que la electricidad producida alimenta la red de distribución en baja tensión 220/380 VAC y que, en el lugar más lejano do sistema (200 m), la disminución de tensión verificada no excedió del 1,2%.

En la entrada del biogás al conjunto motor/generador existe un equipo – para identificarlo mejor, está en color azul (Figura 10), en el que ocurre la medición

147

del biogás utilizado (consumido), para que, posteriormente, también cuente como crédito de carbono.

Figura 10 – Sistema de medición metros cúbicos de biogás (crédito de carbono)

Se destaca que la empresa que suministró el conjunto motor/generador tuvo que cumplir requisitos básicos de suministro de sistemas de aprovechamiento energético de biogás para la producción de energía eléctrica, establecidos por un memorándum del Centro de Innovación y Excelencia Sadia. La adaptación del conjunto motor/generador debe estar dentro de los requisitos de la metodología de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) para la reducción de emisiones, además de otras especificaciones obligatorias suministradas por Sadia, para que el sistema de producción de energía sea aprobado e integrado al sistema biodiges-tor/quemador del Programa 3S.

En el memorándum, constan las características de la aplicación del sistema, las características técnicas del conjunto motor/generador, las características de las instalaciones y los pasos para la homologación Sadia, siempre se acuerdo con los requisitos de la metodología de la ONU para la reducción de emisiones.

Creación del condominio de agroenergía

La propiedad “B”, como se dijo, también había instalado el biodigestor sólo para fines de venta del crédito de carbono, en donde un flare (quemador) que-maba el biogás. Como el gas sólo se quemaba, y no se utilizaba para otros fines, de común acuerdo entre los propietarios, comenzaron las conversaciones con la empresa Sadia, en 2010, para conseguir la autorización para construir un ga-soducto interconectando las dos propiedades. Así, el gas de la propiedad “B” sería transportado hasta la propiedad “A”, en donde estaba instalado el conjunto motor/generador (Figura 11) y, de la misma manera, se contarían los metros cúbicos de biogás de la propiedad “B”, cuando pasara por el equipo de medición (Figura 10).


Cabe destacar que toda la producción de energía eléctrica que se generará en el proyecto del condominio de agroenergía será utilizada solamente en la propiedad que tiene el conjunto motor/generador, y se están realizando negociaciones sobre cómo será el eventual pago del biogás de la propiedad “B”, entre otras decisiones.

Figura 11 – Exposición del Proyecto Gasoducto de Biogás Fuente: Google Earth (2011)

Así, en agosto de 2011 se autorizó la construcción del gasoducto, que fue construido en septiembre del mismo año (Figura 12), interconectando las pro-piedades “A” y “B”. La concepción del gasoducto fue realizada según modelos construidos en países europeos (Alemania).

El gasoducto tiene 470 metros de distancia entre las dos propiedades, y el bio-gás se transporta a través de una cañería rígida de PVC de 100 mm de diámetro.

Figura 12 – A la izquierda, el gasoducto en construcción; a la derecha, el gasoducto terminado

149

Figura 13 – Inicio del gasoducto (propiedad “B”)

El gasoducto está interconectado directamente con el biodigestor de la propie-dad “B”, como muestra la Figura 13. Después de recorrer el gasoducto, el biogás se almacena en la propiedad “A”, en el globo de almacenamiento (Figura 6).

Algunos números de los proyectos realizados

Se denominó “Primer Proyecto” cuando la producción de energía eléctrica in-cluía sólo una de las propiedades, como vimos anteriormente, y “Segundo Proyec-to” cuando se construyó el gasoducto y se implantó el condominio de agroenergía.

Con el Primer Proyecto terminado y el Segundo Proyecto en construcción por aproximadamente 2 meses, se pudieron verificar números reales en la producción de biogás y de energía eléctrica. A continuación, se presentan algunos datos y resultados.

• Valor (en R$) del conjunto motor/generador: R$ 30.000,00. • Valor (en R$) de la construcción del gasoducto de biogás: R$ 2.100,00,

valor que incluye tubería, mano de obra y máquinas. Se destaca que hubo subvención de la municipalidad en los costos de las máquinas para la excavación del gasoducto.

• Producción de biogás: a partir de las mediciones realizadas con equipos adecuados, se verificó que en el Primer Proyecto, cada mes había un promedio de 150 m3 de biogás, y con la interconexión de las dos propiedades, el volumen aumentó a 350 m3.

• Tiempo del generador en funcionamiento: en el primer proyecto, el conjunto motor/generador funcionaba de 10 a 12 h/día. Con la


implantación del segundo proyecto, el conjunto motor/generador empezó a funcionar aproximadamente 23 h/día. Se consideró el tiempo que el motor queda apagado para mantenimiento preventivo.

• Producción de energía eléctrica: en el primer proyecto, los resultados mostraron un promedio de producción de energía eléctrica mensual de 1.700 KW/h, sumando una economía aproximada de R$ 714,00, considerando el valor del KW/h de R$ 0,42, basándose en el valor practicado por la cooperativa de electrificación rural, mientras, en el Segundo Proyecto, se obtuvo una economía de R$ 2.100,00, o sea, la propiedad deja de pagar a la empresa.

Cuadro 1 – Datos comparativos

Primer proyecto Segundo proyectoProducción de biogás (mes) 150 m3 350 m3

Producción de energía eléctrica (mes) 1.700 KW/h 5.000 KW/h

Tiempo del generador en funcionamiento 10-12 h/día Aprox. 23 h/día

Economía en R$ energía (mes) R$ 714,00 R$ 2.100,00

Se está elaborando un informe comparativo de viabilidad económica financie-ra que se presentará posteriormente en otro estudio.

CONCLUSIÓN

En este trabajo, se demostró la posibilidad de uso del biogás para la produc-ción de energía eléctrica en un pequeño condominio de agroenergía. Este trabajo pone en evidencia, a través de un estudio de caso, de qué manera la implantación de biodigestores para el tratamiento de las deyecciones y la simultánea produc-ción de biogás para la producción de energía y biofertilizante en propiedades cria-doras de porcinos pueden mejorar la calidad y la productividad de propiedades criadoras de porcinos, contribuyendo con la solución de problemas relacionados principalmente a la cuestión ambiental y de disponibilidad de energía, además de incentivar la permanencia del trabajador en el medio rural, mediante una pro-ducción sostenible.

La posibilidad de uso del biogás en las propiedades con creación de porcinos agrega valor al proceso de tratamiento de las deyecciones de las propiedades ru-rales, disminuye los costos de producción, e inclusive, permite una visión sistémica del agronegocio, desde el punto de vista de la gestión ambiental. Sin embargo, se ha de destacar que esta tecnología debe ser transferida a los productores rurales

151

con los debidos cuidados, siempre perfeccionando la asistencia técnica, para que no ocurran errores, muchas veces básicos, que puedan malograr todo el proceso.

Los estudios de viabilidad económico/financiera presentan resultados anima-dores en el uso de esta tecnología, ya que se trata de una unidad de producción de lechones, que demanda gran consumo de energía para el calentamiento de los animales recién nacidos, además de la posibilidad de uso del biofertilizante, lo que reduce la cantidad necesaria de abono químico en la agricultura. Tampoco se estudiaron, todavía, las posibles ganancias futuras con los créditos de carbono.

Los resultados de los programas de agroenergía no se pueden medir sólo por la unidad de energía (kW o kW/h), sino también por su rendimiento económico y por las externalidades ambientales y sociales.

Se verifica que los condominios de agroenergía pueden proporcionar una eco-nomía en escala sumamente viable para los participantes e importantes resulta-dos ambientales, energéticos y, principalmente, económicos.

Otro factor importante, vinculado a la ubicación de las propiedades, es la ocurrencia de gran cantidad de eventos ambientales (lluvias con vientos fuertes), lo que causa muchas interrupciones de la transmisión de energía por parte de la empresa de electricidad local, y el conjunto motor/generador es estratégico para poder minimizar los efectos de esa falta de energía, convirtiéndose también en un generador de emergencia.


ANGONESE, A. R. et al. Energy efficiency of swine production system with biodigestor waste treatment. Rev. Bras. Eng. Agríc. Ambient., v. 10, n. 3, p. 745-750, 2006.

AMON, T. et al. Methane production through anaerobic digestion of various energy crops grown in sustainable crop rotations. Bioresource Technology, v. 98, n. 17, p. 3204-3212, 2007.

ARVANITOYANNIS, I. S.; LADAS, D. Meat waste treatment methods and potential uses. International Journal of Food Science & Technology, v. 43, n. 3, p. 543-559, 2008.

BARICHELLO, Rodrigo; RIOS, Jose Valci Pereira. Estudo da viabilidade econômico-financeira na implantação de um biodigestor na Granja Barichello. 2007. 89 f. Monografía (Conclusión del Curso de Administración) – Universidade Comunitária Regional de Chapecó, 2007.


Bitton, G. Wastewater microbiology. 3. ed. New York: Willey Liss, 2005.

BLEY JR. et al. Agroenergia da biomassa residual: perspectivas energéticas, socioeconômicas e ambientais/Maurício Galinkin, editor. - Foz do Iguaçu/Brasília: Itaipu Binacional, Organización de las Naciones Unidas para Agricultura y Alimentación, 2009.

BONETT, Lucimar Pereira; MONTICELLI, Cícero Juliano. Suínos: o produtor pergunta, a Embrapa responde. 2. ed. rev. Brasília: Embrapa Suínos e Aves, 1998.

BRUYNE, P. et al. Dinâmica da pesquisa em ciências sociais. Rio de Janeiro: Francisco Alves, 1997.

CABRAL, R. A. Productive uses of energy for rural development. Annual Review of Environment and Resources, Palo Alto: Annual Reviews, v. 30, p. 117-144, 2005.

CERUTTI, A. K. et al. Evaluation of the sustainability of swine manure fertilization in orchard through ecological footprint analysis: results from a case study in Italy. Journal of Cleaner Production, v. 19, n. 4, p. 318-324, 2011.

EMBRAPA. Aspectos práticos do manejo de dejetos suínos. Florianópolis, 1995.

GUIMARAES, Marcelo (Org.). Biomassa, energia dos trópicos em Minas Gerais. Belo Horizonte: Labmidia, 2001.

GUIVANT, Julia Sílvia; MIRANDA, Cláudio R. de (Org.). Desafios para o desenvolvimento sustentável da suinocultura: uma abordagem multidisciplinar. Chapecó, SC: Argos, 2004.

LAKATOS, Eva Maria; MARCONI, Maria de Andrade. Fundamentos de metodologia científica. 4. ed. São Paulo: Atlas, 2001.

MARTINEZ, J. et al. Influence of treatment techniques for pig slurry on methane emissions during subsequent storage. Biosystems Engineering, v. 85, n. 3, p. 347-354, 2003.

MIN, B. et al. Electricity generation from swine wastewater using microbial fuel cells. Water Research, v. 39, n. 20, p. 4961-4968, 2005.

OLIVEIRA, Paulo A. V. Tecnologias para o manejo de resíduos na produção de suínos: manual de boas práticas. Concórdia: Embrapa Suínos e Aves, 2004. 109 p. (Programa Nacional do Meio Ambiente - PNMA II).

153

PIPATMANOMAI, S.; KAEWLUAN, S.; VITIDSANT, T. Economic assessment of biogas-to-electricity generation system with H2S removal by activated carbon in small pig farm. Applied Energy, v. 86, n. 5, p. 669-674, 2009.

SADIA. Instituto de Sustentabilidade. Manual de operação de biodigestores. 2006. Cartilha.

SEIXAS, Jorge; MARCHETTI, Delmar A. B. Construção e funcionamento de biodigestores. Brasília: Embrapa Suínos e Aves, 1981.

TSAI, W. T.; CHOU, Y. H.; CHANG, Y. M. Progress in energy utilization from agrowastes in Taiwan. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 8, n. 5, p. 461-481, 2004.

WAGNER, R. C. et al. Hydrogen and methane production from swine wastewater using microbial electrolysis cells. Water Research, v. 43, n. 5, p. 1480-1488, Mar. 2009.

WEREKO-BROBBY, C. Y.; HAGEN E. B. Biomass conversion and technology. UNESCO. New York, NY: John Wiley and Sons, 2000. (Energy Engineering Series).

YIN, R. Estudo de caso: planejamento e métodos. Porto Alegre: Bookman, 2005.

<<<

Organización

Auspiciante

Apoyo

Documents

Libro Eco_lógicas Mercosul 2010/2011