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CONCEPTUALIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LOS PELLETS MADEREROS EN EL MARCO DEL DESARROLLO SUSTENTABLE Chapter · November 2015 CITATIONS

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4 authors: Maginot Ngangyo Heya

Rähim Foroughbakhch

Facultad de Ciencias Biológicas, UANL

Autonomous University of Nuevo León

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ARTEMIO CARRILLO-PARRA

Lidia Salas Cruz

Universidad Juárez del Estado de Durango

Autonomous University of Nuevo León

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN

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DIRECTORA FACULTAD DE INGENIERÍA EN TECNOLOGÍA DE LA MADERA

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DIRECTOR FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES

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Dr. Artemio Carrillo Parra (UANL) Dr. José Guadalupe Rutiaga Quiñones (UMSNH) REVISIÓN DE ESTILO Y DISEÑO GRÁFICO Lic. Angélica Anahí Garza De León

Universidad Autónoma de Nuevo León

Impresión

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ciencias Forestales

DR 2015

Carretera Nacional #85, Km. 145

Facultad de Ciencias Forestales, UANL

Linares, Nuevo León, México C.P. 67700

Carretera Nacional 85, km 145. C.P. 67700, Linares, N.L.

www.uanl.mx

www.fcf.uanl.mx

www.fcf.uanl.mx

Primera edición Dr. Artemio Carrillo Parra, Dr. José Guadalupe Rutiaga Quiñones

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

Santiago Tapia 403 Col. Centro Morelia, Michoacán, México C. P. 58000 www.umich.mx www.fitecma.umich.mx

ISBN: 978-607-27 0376-6

Impreso en Monterrey, México Printed in Monterrey, Mexico

Biocombustibles sólidos

ÍNDICE

CAPITULO 1 BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS, UNA OPCIÓN SUSTENTABLE PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA.

8

José Rodolfo Goche-Télles, Pedro Antonio Domínguez-

Calleros, Eusebio Montiel-Antuna y Celina Palacios-Mendoza.

CAPITULO 2 GENERALIDADES SOBRE LOS BIOCOMBUSTIBLES

32

Lucero Azucena Reyes-Rodríguez, Rocio Orihuela-Equihua,

Luis Jorge Aviña-Berumen, Esteban Pérez-Canales, Artemio Carrillo-Parra y José Guadalupe Rutiaga-Quiñones.

CAPITULO 3 CINÉTICA DE LOS PROCESOS TERMOGRAVIMÉTRICOS Francisco Márquez Montesino y Fernando Trejo Zárraga.

64

CAPITULO 4 CERTIFICACIÓN DE LA CALIDAD DE ASTILLAS Y PÉLETS COMO BIOCOMBUSTIBLES PARA LA GENERACIÓN DE CALOR RENOVABLE SEGÚN LAS NORMAS DE CALIDAD ISO Y LA CERTIFICACIÓN ENPLUS.

88

Daniel José Vega-Nieva, Luis Ortiz, Juan Luis Rodríguez Somoza, Ángela García Maraver, Verónica Bustamante

García, Artemio Carrillo-Parra, Carlos López y José Javier Corral-Rivas.

CAPITULO 5 CONCEPTUALIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LOS PELLETS MADEREROS EN EL MARCO DEL DESARROLLO SUSTENTABLE.

120

Maginot Ngangyo Heya, Rahim Foroughbakhch Pournavab, Artemio Carrillo Parra y Lidia Rosaura Salas Cruz.

CAPITULO 6 BRIQUETAS

138

Artemio Carrillo-Parra, Esteban Contreras-Ortiz, Eduardo

Pérez-Pérez, Verónica Bustamante-García, José Javier CorralRivas y José Rodolfo Goche-Télles.

CAPITULO 7 DENSIFICACIÓN ENERGÉTICA POR TORREFACCIÓN DE LA BIOMASA VEGETAL Verónica Bustamante-García, Artemio Carrillo-Parra, José

Javier Corral-Rivas, José Rodolfo Goche-Télles, José Angel Prieto-Ruíz y Raúl Solís-Moreno.

160

PRÓLOGO

Los biocombustibles sólidos han acompañado el desarrollo de la humanidad desde que el hombre se hizo sedentario. La madera como primer elemento y posteriormente el carbón vegetal y mineral fueron una fuente de energía importante durante la revolución industrial hasta que fueron poco a poco desplazados por los combustibles líquidos derivados de petróleo, a principios del siglo XX. Ahora en el siglo XXI, se han retomado los combustibles de fuetes renovables, en gran parte por lo inestabilidad de abastecimiento de combustibles fósiles derivado de problemas geopolíticos, pero principalmente por la necesidad de mitigar la emisión de gases de efecto invernadero y mantener un balance de carbono en la biosfera, evitando el calentamiento global del cual la humanidad empieza a sentir sus consecuencias. Si bien se podría decir que el uso de biocombustibles no es algo nuevo, es primordial el desarrollo de nuevas tecnologías para su producción que sean sustentables y que garanticen al usuario eficiencia y seguridad. Existe si controversia en cuanto a si se deben destinar terrenos agrícolas para la producción de cultivos energéticos en lugar de producir alimentos, el reto está desarrollar conocimiento científico y técnico que permita en aprovechar residuos agroindustriales y forestales, o aprovechar recursos que crecen en suelos con vocación no agrícola, ni forestal, de los cuales nuestro país tiene abundancia. En esta obra se han conjuntado los resultados de 6 trabajos de investigación en donde se da una panorámica del potencial que los biocombustibles sólidos derivado de biomasa vegetal tienen en nuestro

país, resaltando la importancia económica y ecológica que tienen, realizando un análisis serio aportando datos, información y conocimiento para la toma de decisiones. El contenido en esta obra se presenta de una manera certera y accesible información para estudiantes y profesionales que ayuda, no solo a desarrollar nuevos procesos, sino también a la gestión e implementación de políticas publicas orientadas a impulsar el uso y producción de biocombustibles en México, de una manera sustentable, pues los beneficios obtenidos del establecimiento de cultivos energéticos tiene un impacto directo en la economía del sector agrícola del país, diversificando su producción o aprovechando a su vez residuos sin impactar en la generación de alimentos. Por otra parte, se proponen normas de certificación de la calidad de algunos biocombustibles sólidos, para garantizar, en primer lugar la seguridad de los usuarios potenciales y en segundo mantener los procesos controlados y que los productos puedan ser competitivos con los ya existentes en el mercado a nivel internacional.

Dr. José Anzaldo Hernández Profesor Investigador

Departamento de Madera, Celulosa y Papel “Ing. Karl Augustin Grellmann”

Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingeniería Universidad de Guadalajara

PICTURE

CAPITULO 1

BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS, UNA OPCIÓN SUSTENTABLE PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Goche-Télles JRa*; Domínguez-Calleros, PAa; Montiel-Antuna E,a y Palacios-Mendoza Ca a

Facultad de Ciencias Forestales, Universidad Juárez del Estado de Durango. Rio Papalopan S/N, Col. Valle del Sur. C. P. 34130. Durango, Durango, México. * Correo: [email protected]

RESUMEN Actualmente, se presenta un gran interés por el uso de energías renovables, debido a que contribuyen a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y emisiones de otros contaminantes locales, permiten disminuir la dependencia energética, contribuyen a la creación de empleo y al desarrollo tecnológico. Actualmente, los gobiernos retoman el impulso al desarrollo de los biocombustibles como una alternativa para la mitigación de gases efecto invernadero (GEI) frente al uso de los combustibles fósiles. Los biocombustibles sólidos o de segunda generación tienen como ventaja la capacidad de aprovechar una gran cantidad de recursos biomásicos, sin importar que sean provenientes de cultivos dedicados a la producción de energía o simplemente residuos orgánicos de otras actividades como agrícolas, forestales, entre otras. A los sistemas de producción de energías renovables se les otorga un beneficio claro, como es la disminución de la carga contaminante provocada por los combustibles fósiles, en el caso de la biomasa existen otros beneficios tales como propiciar el desarrollo rural y proporcionar el tratamiento adecuado de residuos, en algunos casos contaminantes, aprovechar los residuos procedentes del aprovechamiento forestal. Los biocombustibles sólidos son materia vegetal, como astillas de madera y otros tipos de biomasa sólida o leñosa, que puede utilizarse como combustible directamente, por lo general en las cocinas tradicionales, desde los últimos años se han buscado alternativas que permitan aprovechar de manera sustentable los residuos de los recursos forestales, y se han buscado nuevos productos

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CAPITULO 1. BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS.

que brinden un mayor poder calorífico, disminuyan la presencia de humo, que sean aprovechados a nivel industrial, buscando siempre que sean amigables con el ambiente. Existen investigaciones sobre los diferentes tipos de biocombustibles sólidos como son: carbón vegetal, astillas, pellets y briquetas. La fabricación de estos productos a partir de residuos forestales constituye una importante fuente energética y contribuye al cuidado del medio ambiente. 

SUMMARY Nowadays, there is a great interest in the use of renewable energy, because it contributes to the reduction of the emission of greenhouse gases and other local pollutants; it allows the energy dependence to decrease, and it contributes in the creation of employments and technological development. These days, governments are thrusting the development of bio-fuels as an alternative for mitigating the greenhouse effect of gases (GEI) before the use of fossil fuels. Solid or second generation bio-fuels have as an advantage, the capability of using a great quantity of biomass resources, no matter if they come from crops devoted for energy production or just organic waste from other activities like agricultural and forestry, among others. The renewable energy production systems are granted a clear benefit, as is the decreasing of contamination due to fossil fuels. In the case of bio-mass, there are other benefits such as propitiating rural development and providing waste products with a suitable treatment and, in some cases to pollutants, using the waste resulting from forest use. Solid bio-fuels are plant matter, like wood chips and other kinds of solid or woody biomass, which can be used directly as fuel, generally in traditional kitchens. In the last years, alternatives which allow the sustainable use of forest waste products are being searched, as well as new products that provide a higher heat power, decrease the smoke presence and which can be use in the industry, and seeking that they are always environmentally friendly. Some research has been done about the different kinds of solid bio-fuels like: charcoal, chips, pellets and briquettes. The manufacturing of these products from forest waste is an important source of energy and contributes to the environment care.

CAPITULO 1. BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS.

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INTRODUCCIÓN En las décadas recientes, el cambio de uso de suelo para actividades agrícolas o ganaderas está causando la eliminación de bosques en todo el Mundo. Anualmente desaparecen 9 500 mil ha, esta cifra varía según la fuente de consulta, se ha mencionado que la deforestación produce cerca del 20% de las emisiones de CO², siendo este uno de los gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global; la combustión de combustibles fósiles y la quema de basura contribuyen también al aumento de la temperatura en la Tierra (Schlegel, 2001). El creciente interés por las energías renovables se debe a que estas fuentes energéticas contribuyen a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, así como las emisiones de otros contaminantes locales, permiten disminuir la dependencia energética y contribuyen a la creación de empleo y al desarrollo tecnológico. Han sustituido parcialmente a los combustibles fósiles y a la energía nuclear en cuatro mercados distintos: generación de electricidad, aplicaciones térmicas, carburantes para transporte y servicios energéticos en el ámbito rural, en los países en vías de desarrollo (André et al., 2012). En los últimos 10 años los biocombustibles han adquirido notable interés a nivel mundial lo que ha representado una rápida expansión de su mercado. Actualmente, los gobiernos retoman el impulso al desarrollo de los biocombustibles como una alternativa para la mitigación de gases efecto invernadero (GEI) frente al uso de los combustibles fósiles. En México se está buscando la manera de introducir los biocombustibles en la matriz energética, de una forma sustentable con productores nacionales y así poder impulsar el desarrollo rural (Valle y Ortega, 2012). El uso de la biomasa representa una importante opción para sustituir en parte el uso de los combustibles fósiles. Es necesario aprovechar los recursos existentes de forma más eficiente para evitar que se encarezcan los productos obtenidos y evitando que la biomasa con fines energéticos compita con los recursos alimentarios. Los biocombustibles de segunda generación tienen como ventaja la capacidad de poder aprovechar una gran cantidad de recursos biomásicos, sin importar que sean provenientes de cultivos dedicados a la producción de energía o simplemente residuos orgánicos de otras actividades como agrícolas, forestales, entre otras (Cárdenas, 2012). Una alternativa está dada por el manejo correcto de los bosques, las plantaciones forestales y la utilización de los materiales provenientes de la industria maderera. Actualmente, hay tecnologías disponibles para obtener biocombustibles sólidos (Pellets, Briquetas, etc.) en forma muy eficiente y a costos relativamente bajos, lo que permite ofrecer combustibles de madera limpios y de bajo costo para las industrias y la generación de electricidad (Riegelhaupt

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CAPITULO 1. BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS.

y Arias, 2009). A los sistemas de producción de energías renovables se les otorga un beneficio claro, como es la disminución de la carga contaminante provocada por los combustibles fósiles, en el caso de la biomasa existen otros beneficios tales como propiciar el desarrollo rural y proporcionar el tratamiento adecuado de residuos, en algunos casos contaminantes, o gestionar los residuos procedentes de podas, aclareos y residuos del aprovechamiento, limitando la propagación de incendios (Rincón y Silva, 2014). El aprovechamiento de la masa forestal residual como combustible para calderas de biomasa es una de las soluciones para facilitar el saneamiento de los bosques (IDAE, 2007). La FAO define a la energía procedente de la biomasa forestal (dendroenergía), como toda la energía obtenida a partir de biocombustibles sólidos, líquidos y gaseosos primarios y secundarios derivados de los bosques, árboles y otra vegetación existente en terrenos forestales, siendo los productos leñosos, los combustibles más utilizados en el mundo para producir energía, tomada de Terminología Unificada sobre Dendroenergía (UWET), (FAO, 2000-2002). Los biocombustibles sólidos, son aquellos productos derivados de la biomasa sólida que son susceptibles de utilización directa en los procesos de conversión energética y que se obtienen a partir de la biomasa mediante transformaciones, generalmente de naturaleza física, tales como el astillado, molienda y secado, dentro de los biocombustibles sólidos más importantes, se encuentran, la paja de cereales, leñas, astillas, pellets, briquetas, carbón vegetal, restos de industrias alimenticias (cáscara de almendra, hueso de aceituna, cáscara de piñón, etc.), entre otros, en éste capítulo se hará referencia principalmente a los que provienen de la biomasa forestal.

COMBUSTIBLES DE MADERA Una alternativa para producir materia prima que desarrolle biocombustibles, es el manejo correcto de los bosques, las plantaciones forestales y la utilización de los materiales provenientes de la industria maderera. Actualmente, hay tecnologías disponibles para obtener biocombustibles sólidos (Pellets, Briquetas, etc.) en forma muy eficiente y costos relativamente bajos, lo que permite ofrecer combustibles de madera limpios y de bajo costo para las industrias y la generación de electricidad (Riegelhaupt y Arias 2009). La FAO, (2000-2002) propone las siguientes definiciones básicas para los combustibles que provienen de los recursos forestales.

CAPITULO 1. BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS.

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Combustibles de madera: Aquí se incluyen todos los tipos de biocombustibles derivados directa o indirectamente de los árboles y arbustos que crecen en tierras forestales y no forestales. Entre los combustibles de madera se incluye la biomasa derivada de actividades silvícolas (aclareos, podas y otros) y de extracción y explotación (puntas, raíces, ramas, etc.), así como subproductos industriales derivados de industrias forestales primarias y secundarias que se utilizan como combustible. Se incluyen también los combustibles de madera derivados de plantaciones forestales con fines energéticos. Por su origen, los combustibles de madera se dividen en tres grupos: combustibles de madera directos, combustibles de madera indirectos y combustibles de madera recuperados, los que se definen a continuación. Combustibles de madera directos: madera extraída directamente de los bosques naturales y plantaciones; otros terrenos boscosos y otras tierras destinadas al suministro de energía para cubrir la demanda, e incluye tanto los combustibles de madera inventariados (registrados en estadísticas oficiales) como no inventariados. Los combustibles de madera directos se queman directamente o se transforman en otro combustible, como el carbón vegetal, los gases de pirólisis, pellets, etanol, metanol, entre otros. Combustibles de madera indirectos: generalmente, son subproductos industriales derivados de industrias primarias de la madera (aserraderos, fábricas de tableros, plantas de fabricación de pulpa y papel) y secundarias (ebanistería, carpintería), tales como residuos del aserrado, costeras, restos del canteado y escuadrado, aserrín, virutas y astillas, licor negro, etc. Los combustibles de madera indirectos se queman directamente o se transforman en otro combustible, como el carbón vegetal, gases de pirólisis, pellets, etanol, metanol, etc. Combustibles de madera recuperados: biomasa leñosa derivada de todas las actividades económicas y sociales ajenas al sector forestal, generalmente, desechos de la construcción, demolición de edificios, bandejas de carga, contenedores, cajas de madera y otros que se queman tal cual están o se transforman en astillas, pellets, briquetas o polvo.

BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS Los biocombustibles sólidos son materia vegetal, como astillas de madera y otros tipos de biomasa sólida o leñosa, que puede utilizarse como combustible directamente, por lo general en las cocinas tradicionales. Una fuente importante de generación de biomasa

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CAPITULO 1. BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS.

sólida, es lo que se deriva de los aprovechamientos forestales, principalmente en las cortas de regeneración y aclareos (Rentería et al., 2005), siendo una fuente importante de combustible para incendios forestales, por lo que el uso como biocombustibles sólidos, ayudará a disminuir en gran medida el riesgo de incendios forestales. Las principales aplicaciones de los biocombustibles sólidos, son las térmicas (producción de calor y de electricidad); aunque una parte importante, se utiliza directamente, como leña en hogares, la utilización energética moderna de los biocombustibles sólidos requiere un acondicionamiento especial para su uso como combustible (Sánchez, 2012). Existe una gran variedad de biocombustibles, los tipos más empleados para sistemas de calefacción son: leña, astillas, pellets, briquetas y los residuos agroindustriales como el hueso de aceituna, cáscara de almendra, poda de vid, etc. (IAASTD, 2009)

CLASIFICACIÓN DE LOS BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS En el Cuadro 1 se presenta los diferentes tipos de biocombustibles sólidos, que a la fecha se han derivado de la biomasa forestal, y en lo consecuente se describirán cada uno de ellos con base al estado de arte en el que se encuentra, en el Cuadro 2 (siguiente página), se presentan los principales elementos que componen los diferentes tipos de combustibles sólidos. Cuadro 1. Biocombustibles sólidos derivados de la biomasa forestal Biocombustible

Tamaño de partícula típico

Método común de preparación

Briquetas

Diámetro mayor a 25 mm

Compresión mecánica

Péllets

Diámetro menor a 25 mm

Compresión mecánica

Astillas

5 a 100 mm

Corte con herramientas con filo

Carbón vegetal

---

---

CARBÓN VEGETAL El carbón vegetal es el producto que se obtiene de la carbonización de la madera, en condiciones controladas en un horno de carbón, durante éste proceso se controla la entrada del aire para que la madera no se queme, como sucede en un fuego convencional, sino que se descomponga químicamente para formar el carbón vegetal; es un producto sólido, frágil y poroso, con un alto contenido de carbono (alrededor del 80 %). Se produce por el calentamiento de la madera en ausencia de aire (hasta temperaturas de 400 a 700 ºC). La capacidad de producir calor del carbón es mayor que la de la madera original.

CAPITULO 1. BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS.

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Cuadro 2. Composición de los principales elementos de los tipos de biomasa. (Tomado de Sánchez, 2012, Estévez, 2014) % en base húmeda Tipo de biomasa

Humedad (%)

Cenizas

Volátiles

Azufre

PCI (Kcal/kg)

Densidad Media (Kg/m3)

Astilla de madera

20-55

1-2

>65