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• Ivan Marcelo Tapia

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BIOMASA La Biomasa es toda materia orgánica proveniente de un proceso biológico, su aprovechamiento constituye una fuente renovable de energía Ecuador es un país agrícola, donde se puede encontrar gran variedad de plantaciones (plátano, palma africana, cacao, etc.). Cuando estos productos son cosechados se separa la planta de los frutos lo cual genera importantes cantidades de desechos orgánicos que constituyen biomasa residual, la cual puede ser aprovechada con fines energéticos. En Ecuador el uso tradicional más importante de la biomasa se da en el sector rural doméstico que, según cálculos, cubre alrededor del 7% de las necesidades de energía primaria, principalmente para cocinar. Se han aplicado nuevas tecnologías de la biomasa en programas rurales (como 65 instalaciones de biogás en el sector ganadero y programas de cocinas eficientes de biomasa) Actualmente en Ecuador, el bagazo de caña de azúcar es el único tipo de biomasa empleado para generar electricidad, a pesar de esto el uso de biomasa en combustión industrial es muy común. Especies forestales leñosas como restos de cáscaras son empleados en combustión en hornos y calderos industriales. Un caso práctico son los calderos de las plantas madereras, las cuales utilizan restos de madera como combustible. 

Tabla informativa de las principales fuentes de biomasa presentes en Ecuador Fuente Bagazo de caña Cascarilla de arroz Cuezco de palma africana Viruta de madera Rastrojo de caña de azúcar

Poder calorífico (MJ/Kg) 7,5 13,1

Humedad (%) 51 21

Cenizas (%) 3,7 10

16,8 15,5

12 20

6 0,5

12

20

10

Entre los principales proyectos de aprovechamiento de biomasa en el Ecuador resaltan: -

Aprovechamiento de residuos agropecuarios

Los procesos agrícolas y pecuarios producen desechos que no son aprovechados energéticamente y en la mayoría de los casos no reciben una disposición final apropiada, ocasionando contaminación ambiental. Dichos desechos, dependiendo de su naturaleza y

composición química pueden por ejemplo, alimentar un biodigestor y producir gas metano para usarlo en procesos de calor y electricidad o ser quemados de manera directa. El proceso de alimentación de biodigestor, se detalla a continuación: Biodigestión o Digestión Anaerobia, es un proceso de descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno, debido al efecto de algunos tipos de bacterias. Este proceso normalmente se lleva a cabo dentro de un espacio confinado denominado biodigestor, pudiendo también llevarse a cabo en botaderos, rellenos sanitarios o pantanos.

Img3. Biodigestor Los principales factores que influyen en la digestión anaerobia son: temperatura, pH, relación C/N del sustrato (materia orgánica), agitación, porcentaje de sólidos y tiempo de permanencia del sustrato dentro del biodigestor. Los productos de la biodigestión o digestión anaerobia son: biogás, bioles y lodos orgánicos. El biogás es un gas combustible, similar al GLP, cuya composición característica es la siguiente CONSTITUYENTE Metano Dióxido de carbono

COMPOSICIÓN 55-75% 30-45%

Sulfuro de hidrógeno Nitrógeno Hidrógeno Monóxido de carbono Oxígeno

1-2% 0-1% 0-1% Trazas Trazas

El biol (abono líquido) y los lodos orgánicos (abono sólido) obtenidos contienen nutrientes, por lo que son utilizados como abonos orgánicos. Actualmente está en ejecución un estudio de factibilidad para la implementación de un biodigestor en el Camal Metropolitano de Quito, para lo cual se suscribió un convenio de cooperación con la Empresa Eléctrica Quito y la Empresa Municipal de Rastro. A la fecha se ha construido un biodigestor piloto que servirá para hacer pruebas. También se han capacitado alrededor de 440 personas sobre el uso de biodigestores y el aprovechamiento energético de la biomasa residual para generación eléctrica en las Provincias de Pichincha, Imbabura, Manabí y Francisco de Orellana. Características de Materia Orgánica Utilizada en Biodigestión Anaeróbica FUENTE Vaca Toro Becerro Chancho Oveja Chivo Caballo Gallina

W 500 500 40 70 60 50 400 2.2

T 86 58 62 84 40 41 51 85

TS 12 8.5 5.2 11 11 13 15 22

VS 10 7.2 2.3 8.5 9.2 10 17

N 0.45 0.34 0.27 0.52 0.42 0.45 0.3 0.84

P 0.094 0.092 0.066 0.18 0.087 0.11 0.071 0.3

K 0.29 0.21 0.28 0.29 0.32 0.31 0.25 0.3

Donde: W = Peso promedio del animal en kg T= Cantidad total de residuo (estiércol) promedio en kg por cada 1000 kg de peso del animal, por día. TS = Contenido promedio total de sólidos en kg por cada 1000 kg de peso del animal, por día. VS = Contenido promedio de sólidos volátiles en kg por cada 1000 kg de peso del animal, por día. N= Contenido promedio de nitrógeno en gramos por kilo de sustancia P= Contenido promedio de fósforo en gramos por kilo de sustancia.

K=

Contenido promedio de potasio en gramos por kilo de sustancia.

Además del aprovechamiento de residuos agropecuarios El Ministerio de Electricidad y Energía Renovable apoya dos proyectos para generación de biomasa, los cuales son: -

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Aprovechamiento energético de RSU (residuos sólidos urbanos): Los RSU se originan en la actividad doméstica y comercial de ciudades y pueblos. Es todo el material y/o producto no deseado considerado como desecho y que se necesita eliminar. En este proyecto se busca mediante tratamientos a los desechos obtener energía eléctrica para red pública y autoconsumo. Aceite Vegetal de Piñón: Proyecto piloto desarrollado por el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable cuyo objetivo es reemplazar el diésel utilizado para generación eléctrica de la Isla Floreana en Galápagos por aceite vegetal de piñón, obtenido del desarrollo agroindustrial de las cercas vivas existentes en la provincia de Manabí. COMBUSTIÓN DE LA TUZA DE MAÍZ Combustión de biomasa:

En la actualidad, en lo que se refiere a generación de calor mediante el uso de combustibles de origen natural, existen comercialmente artefactos para uso hogareño que utilizan diversos tipos de éstos combustibles, por un lado tenemos a los que se orientan a utilizar los más tradicionales y heterogéneos como la leña, chips, virutas, marlos (tuza de maíz), carozos y otros desechos y por el otro a los que utilizan pellets o briquetas normalizados para su combustión. En ambos casos, las características necesarias para una combustión limpia varían de acuerdo al combustible y al artefacto utilizado.

Si se analiza la combustión mencionada, se puede observar que la eficiencia en los métodos tradicionales como las fogatas para cocinar, los braseros típicos o los hogares o chimeneas tan usados durante mucho tiempo, es realmente baja, se desperdicia el calor generado y se pierde energía calórica en secar y calentar el aire y combustible. Esto dió lugar a sucesivas modificaciones en los artefactos para subsanar algunos de éstos inconvenientes, cuyos orígenes se comentan a continuación.

Como primera medida, por ejemplo en la combustión de la madera intervienen dos factores importantes, el combustible sólido y el oxígeno, de acuerdo a la relación existente entre ellos el resultado de ésa combustión dará diferentes subproductos, a

grandes rasgos, con poco oxígeno la combustión entregará poco calor pero generará muchos gases, material particulado y carbón residual; al contrario, con mucho oxígeno, entregará más calor pocos gases y poco material particulado generando además cenizas. Para lograr esto último la solución habitual es forzar la entrada de aire para aportar más oxígeno a la combustión. Debido a esto, los fabricantes de artefactos decidieron trabajar en la mejora de sistemas que favorezcan una combustión más eficiente por un lado y menos contaminante por otro. Estos sistemas pueden resumirse en los siguientes: -

Sistemas de quema de leña o briquetas de alta temperatura Sistemas de quema de leña o briquetas de doble combustión Sistemas de quema de leña catalíticos Sistemas de quema de pellets

En los sistemas de alta temperatura, se trata que el combustible se queme a temperaturas lo suficientemente elevadas como para además de quemar el combustible, queme también los gases generados en el proceso, dando como resultado una combustión más limpia. Los sistemas de doble combustión utilizan un concepto similar pero aplicándolo de otra forma, se trata que los gases generados por la primera combustión que quema el combustible sólido sean quemados posteriormente gracias a la inyección de aire secundario a la salida de la primer combustión mezclándolos e incinerándolos en flujos turbulentos en una segunda cámara de combustión, los mismos son precalentados anteriormente para aumentar el rendimiento del sistema, éste tipo de combustión es actualmente de las más utilizadas en estufas a leña de alta eficiencia. En los sistemas catalíticos, se obliga a pasar al humo de la primer combustión, que contiene gases y particulados, por una especie de nido de abeja metálico recubierto en cerámica dentro del cual los gases y partículas consiguen quemarse a una menor temperatura que la requerida en los sistemas de alta temperatura, también utilizado en estufas hogareñas tiene la desventaja de una corta vida útil del catalizador y es actualmente menos utilizado que el sistema anterior. En los sistemas de quema de pellets se aplica el primer concepto pero a baja escala, ya que no podemos regular la cantidad de aire para disminuir el calor generado, reducimos la cantidad de combustible y lo hacemos quemarse siempre a la más alta temperatura para controlar de esta manera el calor generado sin disminuir el rendimiento ni aumentar la polución generada. El resultado de esto es una combustión limpia que utiliza muy poco combustible y sólo consume mayores cantidades del mismo cuando se requiere obtener

mayor cantidad de calor, el funcionamiento para el usuario de éste tipo de artefactos es muy similar al de los acostumbrados que son alimentados a gas natural.

Las tecnologías aplicables para la obtención de la biomasa residual de maíz se muestran a continuación: Tecnología Pirolisis

Gasificación

Termólisis Combustión

Fermentación

Digestión Anaerobia

Descripción Proceso de descomposición térmica de materia orgánica, causado por el calentamiento en ausencia de oxígeno u otros reactivos Es la reacción de combustibles sólidos con aire, vapor, hidrógeno, etc.; para dar un producto gaseoso que se utiliza como fuente de energía o como materia prima para síntesis orgánicas Proceso en el cual se utiliza calor indirecto para convertir los materiales sólidos en orgánicos Secuencia de reacciones químicas entre combustible y un oxidante generalmente aire, por las cuales se libera energía calórica y luminosa en un ambiente confinado. La zona donde tiene efecto se denomina cámara, hogar u horno de combustión En un proceso catabólico de oxidación incompleto, totalmente anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico. Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones Es un proceso de degradación de materia orgánica en ausencia de aire. Este proceso lo llevan a cabo microorganismos anaerobios que actúan en el interior de un biodigestor

Ensayos realizados por el investigador y docente estadounidense Harold M. Keener en, 1981 han demostrado que los marlos (tuza) de maíz usados como combustible resultan efectivos al reducir las necesidades de energía. En los estudios se buscaba emplear al marlo del maíz para secar el grano de la misma planta, para esto se requiere un sistema completo para recogerlo, transportarlo, almacenarlo, secarlo y quemarlo. La cosechadora automotriz que puede ser empleada para esta labor necesita ser equipada con un dispositivo "marlero" ubicado, generalmente, en la cola de la máquina, para

separar los marlos del resto de chala (hoja que envuelve la mazorca) y hojas que tira la cosechadora. Se debe disponer, también, de un acoplado extra para recibir los marlos y de un depósito para almacenarlos. Este proceso puede causar retrasos y complicaciones en la cosecha de maíz, sobre todo por la necesidad de cambiar los acoplados para los marlos, pues estos se llenan rápidamente. Otra solución es que la cosechadora arroje los marlos a un costado formando una hilera y que luego sean recogidos por un recolector especial. Otra alternativa es utilizar una juntadora-espigadora que sólo recolecta las mazorcas, que posteriormente tienen que ser desgranadas en una desgranadora de maíz, estacionaria. Este método encarece, por supuesto, la cosecha de maíz como grano. En cambio puede ser aprovechado por empresas productoras de semilla de maíz, que recolectan con juntadoras y acumulan grandes volúmenes de marlos. En Estados Unidos se ha probado otro sistema (Vence Morey et al, 1987) que reside en variar las regulaciones del cilindro de la cosechadora, disminuir la luz entre cilindro y cóncavo y abrir más las zarandas, de forma tal que los marlos rotos y los granos sean acumulados en la tolva de granos de la cosechadora. La mezcla es transportada, entonces, a la instalación de secado, lo que elimina la necesidad de un acarreo separado para los marlos. Allí la mezcla es clasificada, el grano húmedo ingresa a la secadora y los marlos (o los pedazos de marlos) transportados a una secadora, para posteriormente entrar al quemador para actuar como combustible. Los marlos deben ser secados para poder ser utilizados. El marlo es empleado, también, para secar los marlos húmedos. Los marlos secos son quemados en un horno especial, de dos etapas (gasificación y combustión), y los gases de esa combustión son utilizados para mezclarse con el aire de secado, y alcanzar temperaturas de 90 a 110°C en la secadora de grano. Harold Keener indica en su estudio un consumo específico de energía de unas 1 500 kcal/kg de agua evaporada, y una eficiencia de combustión entre 80 y 85%. Una hectárea de maíz rindiendo 6 000 kg de grano puede producir 1 t de marlos; como el calor de combustión de los marlos secos es de unas 3 600 kcal/kg, la capacidad térmica de los marlos será de 3 600 000 kcal, suficiente para secar dos o más ha de maíz con 20% de humedad inicial (Tomando en cuenta que el poder calorífico del marlo de maíz con 20% de humedades 3600kacl/kg) Equipo: Una estufa muy utilizada para la combustión de marlos de maíz es la Bixby MaxFire fabricada en Estados Unidos

Img4. Estufa Bixby MaxFire Características técnicas: Tipo/Alimentación: Autoportante Mixta varios pellets - Maíz Alimentación inferior (Rueda) Combustión: Doble forzasa Dimensiones: 711*838*762 mm Potencia: 12600 cal Consumo/autonomía: 57h Rendimiento: 78% Observaciones: Sistema de alimentación inferior basado en una rueda perforada, permite la utilización de cualquier grado de pellets y maíz Presentamos un cuadro de resumen de la producción de maíz en nuestro país:

Provincia Guayas Los Ríos Manabí Loja Otras Total

Provincia Guayas Los Ríos Manabí Loja Otras Total

Área sembrada (Has.) 5500 13066 2175 9050 3500 33291 Área sembrada (Has.) 47078 92619 63224 18834 22500 244255

VERANO Área Área perdida cosechada (Has.) (Has.) 0 5500 0 13066 0 2175 1100 7950 0 3500 1100 32191 INVIERNO Área Área perdida cosechada (Has.) (Has.) 385 46693 271 92348 25776 37448 565 18269 0 22500 26997 217258

Rendimiento estimado (T.M.) 3,31 3,31 2,27 4,68 2,5 3,49 Rendimiento estimado (T.M.) 3,05 2,95 2,27 2,9 2,5 2,8

Cuando se desea aprovechar la energía de los marlos de maíz, primero hay que separar los granos de los marlos, pero para esto hay que tener en cuenta a la humedad, detalles que presentamos a continuación: 

Humedad de los granos y del aire:

Los granos, no pueden conservarse almacenados si no están secos. Por ellos es importante determinar cuándo un grano se considera "seco". Como término general, para los cereales, una humedad del 15% se considera el límite para estimarlo como "seco". Pero este valor es relativo, pues depende de diversos factores. En un país de clima frío, un cereal como el trigo puede conservarse a 15% de humedad, pero en un país de clima cálido, la humedad de conservación deberá ser de 12 a 13%. 

Humedad en base seca y base húmeda:

La medición de la humedad del grano se fija sobre la llamada "base húmeda", es decir, la cantidad de agua que tiene el grano en total, o sea, sobre su peso de materia seca más agua. Es el dato que dan los humedómetros comunes usados en el comercio.

Pero en ciertas operaciones, sobre todo para trabajos científicos, es preferible usar la humedad en "base seca", que es la cantidad de agua que tiene el grano en relación solamente a la cantidad de materia seca. Esta humedad será siempre mayor que la anterior. Las relaciones para ambas expresiones son las siguientes:

Dónde: Hh= Humedad en base húmeda, % Hs= Humedad en base seca, % Por ejemplo un maíz con 24% de humedad en base húmeda, tendrá 31.6% de humedad en base seca. Todas las transacciones comerciales se efectúan sobre base húmeda, pero sin embargo, hay muchas opiniones relativas a que la comercialización de los granos debiera hacerse sobre materia seca. Tomando algunos ejemplos, se podrá deducir la certeza de aquellos juicios. Por cada quintal (100 kg) de grano entregado por diferentes productores sucede lo siguiente:

Hh Hs Hh Hs Hh Hs 7 7,5 20 25 33 49,3 8 8,7 21 26,6 34 51,5 9 9,9 22 28,2 35 53,8 10 11,1 23 29,9 36 56,2 11 11,4 24 31,6 37 58,7 12 13,6 25 33,3 38 61,3 13 14,9 26 35,1 39 63,9 14 16,3 27 37 40 66,7 15 17,6 28 38,9 41 69,5 16 19 29 40,8 42 72,4 17 20,5 30 42,9 43 75,4 18 21,9 31 44,9 44 78,6 19 23,5 32 47,1 45 81,8 Cuadro de equivalencias entre humedad en base húmeda (Hh) y humedad en base seca (Hs) Ejemplo:

El productor A entrega maíz con 24% de humedad, que tiene: 76 kg de materia seca (por quintal) y 24 kg de agua. El productor B entrega maíz con 16% de humedad, que tiene: 84 kg de materia seca y 16 kg de agua. Y el productor C entrega maíz con 14% de humedad, que tiene: 86 kg de materia seca y 24 kg de agua. El productor C está entregando más materia seca que los restantes y menos agua. En realidad, deberá recibir una bonificación por entregar una mercadería más seca y de mejor conservación, aun cuando sea beneficiado por la escasa merma de humedad y por los bajos costos de secado artificial

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BIBLIOGRAFIA Food and agriculture organization of the united nations. (2012). Secado de granos y secadoras - Energía y combustión. 10/12/2014, de ORGANIZACION DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA AGRICULTURA Y LA ALIMENTACION Sitio web: http://www.fao.org/docrep/x5028s/x5028s04.htm Jenny Guerrero, Carlos Gamboa. (2009). Diseño conceptual de una planta piloto de combustión para el aprovechamiento energético de la biomasa residual del maíz. Bucaramanga-Colombia: Universidad Industrial de Santander, proyecto de grado. Avaible: http://repositorio.uis.edu.co/jspui/bitstream/123456789/6492/2/130406.pdf Miryam Lopatinsky. (2008). Obtención de biocombustible orgánico a partir de Zea Mays. 10/12/2014, de Escuela Politécnica del Litoral, trabajo de grado Sitio web: http://www.cib.espol.edu.ec/Digipath/D_Tesis_PDF/D-39045.pdf Sociedad Mexicana de Biotecnología y bioingeniería A.C.. (2012). Fermetario of Corncob Hydrosate for Xylitol Production. Revista de la Sociedad Mexicana de Biotecnología y bioingeniería A.C., 16, 48-64. Corporación para la investigación energética. (2014). Desarrollo de la energía renovable en el Ecuador. 9/12/2014, de Corporación para la investigación energética (CIE) Sitio web: http://www.energia.org.ec/cie/?s=biomasa

Luis Ortiz Torres. (2008). Producción de biocombustibles sólidos de alta densidad en España. 10/12/2014, de Universidad de Vigo Sitio web: file:///C:/Users/Personal/Downloads/DialnetProduccionDeBiocombustiblesSolidosDeAltaDensidadEn-2718831.pdf  Carlos Alberto D.. (2006). Secado de granos y secadoras. 03/01/2015, de ORGANIZACION DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA AGRICULTURA Y LA ALIMENTACION Sitio web:

http://ftpmirror.your.org/pub/misc/cd3wd/1005/_ag_grain_dryers_es_u nfao_lp_108250_.pdf