Caracterización termoquímica y análisis del potencial energético de biomasas residuales de agroindustrias en Paraguay

ÁREA

Físico-Química

Autores

Rivaldi, J.R. (FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS - UNA) ; Shin, H.H. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCION - FCQ) ; Colman, F. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCION - FCQ) ; Gonzalez, J. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCION - FCQ) ; Rojas, O. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCION - FCQ) ; Smidt, M. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCION - FCQ) ; Velazquez, E. (UNVERSIDAD AMERICANA) ; Sauer, C. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCION - FIUNA) ; Martinez, K. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCION - FCQ)

RESUMO

En este trabajo fue evaluado el perfil termoquímico y el potencial energético de biomasas residuales de agroindustrias en Paraguay. Fue determinada la cantidad de biomasa generada entre los años 2015-2020, considerando la cosecha (biomasa residual agrícola) y el procesamiento (biomasa residual agroindustrial) de los principales rubros, considerando factores de residuos por producto (FRP). La biomasa seleccionada fue analizada cuanto al poder calorífico, humedad, cenizas, densidad aparente y densidad bioenergética. El análisis reveló la disponibilidad de millones de toneladas de biomasa de caña de azúcar, arroz, soja, sésamo y con potencial para la producción de energía superior a 25200 TJ/año equivalente a más de 5 millones de MWh/año.

Palavras Chaves

Biomasa residual; Poder calorífico; Energía

Introdução

Paraguay es un país cuya actividad económica se centra en el sector agropecuario y forestal, con industrias procesadoras de rubros tradicionales como la caña de azúcar, soja, mandioca (yuca), arroz, trigo, maíz, banana, madera de reforestación, entre otros (MAG, 2020; INFONA, 2020). El procesamiento de estas materias primas genera anualmente millones de toneladas de biomasa residual lignocelulósica, que en la mayoría de los casos es descartada sin aprovechamiento, causando problemas de contaminación. La producción energética primaria en Paraguay es de aproximadamente 7990 TEP (Tonelada Equivalente de Petróleo) que corresponde a 92915 MWh/año, e incluye energía hidroeléctrica, leña, derivados de caña de azúcar (bagazo) y otras biomasas, siendo el 47,3% del total producido correspondiente a biomasas lignocelulósica (VMME, 2020). Paraguay ha aumentado áreas de reforestación para fines energéticos, no obstante, existe la práctica del uso de madera de especies nativas para combustión, causando problemas ambientales como deforestación de bosques nativos, degradación de suelo, entre otros (RIOS et al, 2015). La leña puede ser substituida parcialmente por los residuos lignocelulósicos generados en la cosecha y procesamiento de las materias primas, siendo posible su aprovechamiento para fines energéticos. Frente a este escenario, el objetivo de este trabajo consistió en estimar el volumen de residuos lignocelulósicos generados, la caracterizar termoquímica de las principales biomasas generadas en el país y el análisis del potencial energético.

Material e métodos

La cantidad de biomasa residual de procesos agroindustriales en Paraguay fue estimada considerando el volumen de producción así como fracción de cada materia prima procesada en las agroindustrias del país en el período 2015 al 2020 (MAG, 2021). La cantidad de materia prima agrícola y producto obtenidos en las industrias fue relacionada con el factor de residuo por producto (FRP), disponible en la literatura científica (KOOPMANS,KOPPEJAN, 1997, NIGAM, 2017). Fueron seleccionadas muestras de biomasa agrícola, agroindustrial y de industrias de transformación de la madera, obtenidas en diferentes sitios de la región oriental y occidental de Paraguay. La humedad (%) fue determinada en una balanza termogravimétrica (RADWAG, Polonia), según el Método Estándar NMX-F-428- 1982. La densidad aparente (g/mL) fue determinada conforme ASTM D1895-96, utilizando una probeta de 0,5 L y enrazando la biomasa, y promoviendo golpes para eliminación del exceso en la parte superior, y relacionando el peso neto de biomasa con el volumen ocupado. El contenido de cenizas fue determinado conforme Gouveia et al (2009). El poder calorífico superior (PCS) fue determinada empleando una bomba calorimétrica de oxígeno (Cussons Technology, Inglaterra) de acuerdo con la metodología ASTM D5865 para material sólido. El poder calorífico inferior (PCI) fue determinada a partir de la ecuación: PCI= PCS – 597(9H+H2O), donde: H corresponde al hidrógeno contenido en el combustible (7% restos de vegetales), H2O: porcentaje de humedad del combustible (GAFFERET, 1981). La densidad bioenergética (DBE, MJ/m3) fue calculada multiplicando la densidad aparente por el poder calorífico superior.

Resultado e discussão

El perfil termoquímico de diferentes biomasas resultantes del procesamiento de materias primas agrícolas en Paraguay es presentado en la Tabla 1. El contenido de humedad de las biomasas se encuentra en el rango de 8-12%, con densidades aparentes de 47 a 452 kg/m3. Este último parámetro es importante debido a que la biomasa residual presenta una densidad aparente baja y por tanto, una densidad energética baja, siendo necesaria la densificación (elaboración de pellets y briquetas), además es importante para dimensionar el almacenamiento y transporte de la biomasa (Subéro-Pérez & Pallarés, 2010). El poder calorífico de los combustibles depende del contenido de carbono y agua, y en general las biomasas residuales presentan contenido de 30 a 60% en carbono (Gafferet, 1981). Los mayores PCI fueron 32,5; 30,59 y 20,5 MJ/kg para mezcla de aserrín, carozo de macadamia y burlanda de maíz, respectivamente. A pesar de que la cáscara de arroz presentó un PCI promedio (14 MJ/kg), su abundancia y accesibilidad constituyen factores importantes para su explotación como complemento de la matriz energética nacional. El residuo de sésamo presentó densidad energética relativamente elevada (superior a 6000 MJ/m3) y comparable con la burlanda y residuo de trigo, mostrando la alta aplicabilidad del estos para uso energético. La estimativa total de energía para el aprovechamiento del 100% de biomasa residual presentada en la Tabla 2 es superior a 5 millones de MWh/año (estimación considerando 75% de eficiencia de combustión en calderas y turbinas de vapor). El análisis energético muestra características promisoras de varios de los residuos lignocelulósicos estudiados y son particularmente atractivos para su aplicación como combustibles en procesos termoquímicos.

Conclusões

La generación de bioenergía de residuos lignocelulósicos, representa una ruta prometedora para complmenetar la matriz energética de los países en desarrollo, al tiempo de evitar su desarte y consecuente contaminación ambiental. El potencial energético de los residuos agroindustriales estudiados totalizan 25200 TJ/año, equivalente a 5.250.058 MWh/año. Nuevas evaluaciones se encuentran en desarrollo a fin de estimar el potencial de otras biomasas residuales generadas en campo y agroindustrias, con vistas a su aprovechamiento energético en Paraguay.

Agradecimentos

Este trabajo fue financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT, Paraguay)-PROCIENCIA-FEEI-Proyecto BPIN20-105

Referências

CAPECO – Estadísticas http://capeco.org.py/en/soja-es-evol/
GAFFARET, G.A. Centrales de vapor. 1981. Ed. Reverté S.A, p.187
INFONA, 2020. Instituto Forestal Nacional.Disponible en http://www.infona.gov.py
KOOPMANS, A., KOPPEJAN, ., 1997. Agricultural and forest residues-generation, utilization and availability. Kuala Lumpur, Malaysia: Regional Consultation on Modern Applications of Biomass Energy.
NIGAM, P. S., 2017. An overview: Recycling of solid barley waste generated as a by-product in distillery and brewery. Waste Management, Volumen 62, pp. 255-261. doi:10.1016/j.wasman.2017.02.018.
MAG, 2020. Miniterio de Agricultura y Ganadería. Disponible en: http://www.mag.gov.py/index.php/institucion/dependencias/sintesis-estadistica
RIOS, M., KALTSCHMITT, M., GORSY, P., ORTIZ, R. Solid biomass within the energy system of Eastern Paraguay—status and consequences. Biomass Conversion and Biorefinery, DOI 10.1007/s13399-015-0194-2