Factibilidad del cultivo y uso de la biomasa de plantaciones de Pennisetum purpureum (King Grass) by Altea Comunicación

O2 CO2

CO2

Tesis:

Factibilidad del cultivo y uso de la biomasa de plantaciones de Pennisetum purpureum (King Grass) para su transformación en energía eléctrica en el Pelón de la Bajura Por: Gregory Guevara Rodríguez

CO2 CO2

Contrato FI084-13 Financiamiento otorgado por MICITT, CONICIT y VIE (TEC)

Tesis:

Instituto Tecnológico de Costa Rica. Programa de Maestría en Gestión de Recursos Naturales y Tecnologías de Producción.

“Factibilidad del cultivo y uso de la biomasa de plantaciones de Pennisetum purpureum (King Grass) para su transformación en energía eléctrica en el Pelón de la Bajura”

Trabajo Final de Graduación sometido al Tribunal del Área Académica Agroforestal del Instituto Tecnológico de Costa Rica para optar por el grado de Magister en Gestión de Recursos Naturales y Tecnologías de Producción

Gregory Guevara Rodríguez

Campus Cartago, Costa Rica. 2015 1

Hoja de Aprobación del Trabajo Final de Graduación Este Trabajo Final de Graduación fue aceptado por el Tribunal del Área Académica Agroforestal del Instituto Tecnológico de Costa Rica, como requisito parcial para optar por el grado de Magister en Gestión de Recursos Naturales y Tecnologías de Producción.

__________________________________ Ing. Dagoberto Arias. Ph.D. Profesor Tutor

__________________________________ XXXXXXXX Profesor Lector

__________________________________ Ing. Rooel Campos. Ph.D. Coordinador del Área Académica Agroforestal

__________________________________ Ing. Gregory Guevara Rodríguez Sustentante

Dedicatoria

A mi amada esposa Silvia y a mis hijos Isaac y Daniel, por ser mi apoyo e inspiración, la consecución de esta meta, no es un logro mío sino de la familia.

A mis queridos Padres, gracias a ustedes, a su empeño y los valores inculcados se puede aspirar a metas cada vez más altas.

A mis hermanos Sonia, Melania y Diego, su compañía y cariño a lo largo de la vida han ayudado a afinar mi carácter y no perder el rumbo.

Agradecimiento

A Dios todo poderoso, porque sopló vida en mí y gracias a Él hoy soy quien soy. A la academia del Instituto Tecnológico y en especial al Dr. Dagoberto Arias, que a través del proyecto Impulso Tecnológico a la Producción de Biomasa, financiado por el MICITTCONICIT; que con su instrucción y apoyo incondicional han sido angulares en la ejecución de esta maestría. A la empresa R&M, en especial al Ing. Alberto Argüello, por siempre creer en mis ideas y al Ing. Alejandro Salazar y Willie Peña, por compartir este sueño y ser coparticipe en el diseño y planeación de este trabajo. A la empresa Pelón de la Bajura, por permitirme ser parte de su equipo de trabajo, muy especialmente al Sr. Wady Ríos, Ing. Luis Munera e Ing. Leonel Fernández, sin su trabajo dedicado este trabajo no sería posible. A mis compañeros de generación por sus consejos y amistad a lo largo del ciclo de estudio

Tabla de contenido Dedicatoria .........................................................................................................................................3 Agradecimiento ..................................................................................................................................4 Índice de cuadros ...............................................................................................................................7 Índice de imágenes ............................................................................................................................8 1.

Justificación ................................................................................................................................9

2. Objetivos ......................................................................................................................................12 2.1 Objetivo General ....................................................................................................................12 2.2 Objetivos específicos ..............................................................................................................12 3. Marco teórico ...............................................................................................................................13 3.1 Características botánicas del cultivo ......................................................................................13 3.1.1 Nombre científico: ...........................................................................................................13 3.1.2 Nombres comunes ..........................................................................................................13 3.1.3 Descripción botánica y entorno agroecológico................................................................13 3.2 Usos comunes y alternativos ..................................................................................................14 3.3 Características agronómicas del cultivo .................................................................................15 3.3.1 Preparación de suelos .....................................................................................................15 3.3.2 Semilla y siembra.............................................................................................................17 3.3.3 Técnicas de riego .............................................................................................................19 3.3.4 Nutrición y fertirrigación .................................................................................................20 3.3.5 Cosecha ...........................................................................................................................22 3.4 Potencial energético ...............................................................................................................23 3.4.1 Procesos de conversión ...................................................................................................24 3.4.2 Calderas ...........................................................................................................................26 3.4.3 Gasificación .....................................................................................................................26 3.5 Mercado energético ...............................................................................................................29 4.

Metodología .............................................................................................................................32 4.1

Marco temporal – espacial ...............................................................................................32

4.1.1 Marco temporal ..............................................................................................................32 4.1.2 Marco Espacial ................................................................................................................33 4.2 Condiciones agroecológicas del ensayo .................................................................................33 4.2.1 Condiciones climáticas ....................................................................................................33

4.2.2Condiciones de suelo ........................................................................................................34 4.2.3 Condiciones de la planta..................................................................................................35 4.3 Tipo de estudio .......................................................................................................................35 4.4 Metodología para el análisis de productividad .......................................................................35 4.4.1 Datos colectados .............................................................................................................37 4.4.2 Análisis estadístico de la información recolectada. .........................................................38 4.5 Metodología para el cálculo del potencial energético y eléctrico ..........................................39 4.5.1 Medición de la materia seca ............................................................................................39 4.5.2 Determinación del potencial energético y eléctrico ........................................................40 4.6 Metodología para el estudio de sensibilidad financiera .........................................................41 5.

Análisis de resultados ...............................................................................................................43 5.1 Resultados Generales .............................................................................................................43 5.2 Resultados biométricos por tratamiento................................................................................43 5.3 Resultados del potencial eléctrico ..........................................................................................47 5.4 Resultados del análisis de sensibilidad económica .................................................................48

Conclusiones y recomendaciones ............................................................................................55 6.1 Conclusiones ..........................................................................................................................55 6.2 Recomendaciones generales ..................................................................................................56 6.3 Recomendación especial ........................................................................................................57

Bibliografía ...............................................................................................................................58

Anexo .......................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Índice de cuadros CUADRO 1 GENERACIÓN DE ENERGÍA DE DIFERENTES TIPOS DE BIOMASA

CUADRO 2. REGLAS DE LABRANZA PARA LA PREPARACIÓN DE SUELOS.

CUADRO 3. RELACIÓN DE POBLACIÓN CON RESPECTO AL ESPACIAMIENTO

CUADRO 4. SE MUESTRA EL REQUERIMIENTO DE ELEMENTOS POR CORTE DEL KING GRASS DE 5 MESES

CUADRO 5. POTENCIAL CALORIMÉTRICO DE LAS ESTRUCTURAS DEL KING GRASS EN DIFERENTES EDADES 23 CUADRO 6. COMPOSICIÓN QUÍMICA TÍPICA DE LA BIOMASA

CUADRO 7. HISTÓRICO DE PRECIOS DE LA ELECTRICIDAD EN COSTA RICA

CUADRO 8. CARACTERÍSTICAS DE CADA TRATAMIENTO

CUADRO 9. DISTRIBUCIÓN DE NUTRIENTES A LO LARGO DEL CICLO

CUADRO 10. DETALLES DE INVERSIONES POR HECTÁREA

CUADRO 11. FLUJO DE CAJA

CUADRO 12. ESCENARIOS SENSIBLES, FINANCIERAMENTE HABLANDO PARA EL PROYECTO

Índice de imágenes FIGURA 1. FOTOGRAFÍAS DE LOS PROCESOS DE LABRANZA.

FIGURA 2. PLANTACIÓN DE KING GRASS DE UN MES, HILERA SENCILLA 1.5M.

FIGURA 3. CONEXIÓN DE MANGUERAS DE RIEGO POR GOTEO.

FIGURA 4. MODELO DE UNA PLANTA GENERADORA DE ELECTRICIDAD CON BIOMASA

FIGURA 5. MATRIZ GENERACIÓN ELÉCTRICA EN COSTA RICA EN EL 2010

FIGURA 6. FOTOS DURANTE EL CICLO DE CULTIVO

FIGURA 7. IMAGEN AÉREA DEL SITIO DE ENSAYO

FIGURA 8. DATOS METEOROLÓGICOS

FIGURA 9. MUESTRA DE KING GRASS LISTA PARA PESAJE

FIGURA 10. PROCESO DE PESADO DE MUESTRAS EN CAMPO

FIGURA 11. ANDEVA DE PESO MUESTRA POR HECTÁREA

FIGURA 12. RELACIÓN DEL NITRÓGENO CON LA PRODUCTIVIDAD

FIGURA 13. RELACIÓN HOJA TALLO

1. Justificación Con la creciente demanda energética, y especialmente con los altos precios en los combustibles convencionales, sean diésel, electricidad, gas o carbón; en los últimos años ha venido ganando fuerza la investigación en el uso de biocombustibles alternativos generados a partir de producciones agrícolas. Según MINAE (2011), los precios de la electricidad a nivel industrial, en los años 2000 a 2010 presentó un incremento de un 88%, con una fuerte tendencia de continuar en ascenso, es por esto que en economías agrícolas como las nuestras, el uso apropiado de la biomasas ofrece una alternativa para la reducción de costos por concepto de insumo energético, las denominadas granjas energéticas pueden suplir un porcentaje significativo de los requerimientos eléctricos, proveyendo una energía segura, independiente y logrando importantes beneficios económicos, Bunca (2002) En caso de caña de azúcar, ya su biomasa está siendo usada para la generación de electricidad y etanol, y existe interés en la utilización del aceite de la palma africana para la producción de biodiesel, sin embargo el país no presentado avances significativos en la utilización de biocombustibles, actualmente nuestra matriz energética tan solo 66 GWH son aprovechados para producción eléctrica, esto representa tan solo 1% de nuestra capacidad de generación instalada, como cita Minae (2011) En esta tesis se desarrolla un estudio sobre la factibilidad del pasto King Grass Pennisetum purpureum, como alternativa viable para cultivo comercial, que luego será procesado la biomasa de este pasto en una caldera o gasificador y así producir energía eléctrica. Es 9

conocido que esta especie prospera bien en suelos de mediana a alta fertilidad y produce abundante forraje, Muñoz (2011), y existen experiencias de proyectos pioneros en el mundo, Gibson (2011), por lo que se propone como proyecto viable gracias a lo difundido en toda la región centroamericana. Existen un conjunto de experiencias en nuestra región para la producción de energía a partir del King Grass, además del Pelón de la bajura que desarrolla este tipo de proyectos, es sabido que al menos dos textileras en Honduras manejan proyectos extensivos con este este cultivo, dedicando al menos de 20,000 ha de King Grass para la generación de energía eléctrica y vapor para los procesos de fabriles ,Muñoz (2011), otra experiencia importante está en Nicaragua donde la empresa de granos Grain Hill/ Agri Corp, desarrolla una extensión importante de área para siembras de este cultivo para posterior generación eléctrica, Voegele (2013). Un grupo de ensayos fueron implementados para conocer las mejores prácticas nutricionales, como herramienta para el desarrollo de plantas altamente productivas de biomasa y de alto valor energética para la producción de energía. Con el registro de los costos se realizó un análisis de sensibilidad como herramienta para la viabilidad técnico comercial del proyecto. Como resultado de este trabajo se presenta un modelo, que constituye una herramienta a futuros inversionistas de este tipo de proyectos, para que tomen decisiones sobre la factibilidad técnico- económica de este tipo de emprendimientos.

En Costa Rica, la legislación no faculta para la venta de electricidad en forma directa, pero condiciona la compra a empresas estatales o privadas con concesiones públicas (MINAE 2011), este trabajo explora la posibilidad del desarrollo de proyectos de generación eléctrica privada, donde la energía producida por el inversionista es usada en sus propios procesos fabriles, siendo en este caso el punto de comparación de la factibilidad el ahorro por no compra de la electricidad de la red eléctrica nacional, ya existen empresas que ha generado experiencia el modelo de auto abastecimiento y algunas han migrado hacia el uso de biomasa. Con el presente trabajo, se pretende estimular a la comunidad agroindustrial a explorar las ventajas de la biomasa producida en plantaciones energéticas, esto redundará además de los beneficios económicos en los que girará el proyecto en beneficios ambientales como: captura de gases de efecto invernadero, nuevas fuentes de empleo en comunidades rurales, reducción de contaminación de aguas y suelos etc.

2. Objetivos 2.1 Objetivo General •

Analizar la viabilidad técnica y financiera del

cultivo del King Grass para la

producción de energía eléctrica en empresas agroindustriales.

2.2 Objetivos específicos •

Estimar la productividad en términos de biomasa (Ton/ha/año) en cultivos comerciales de King Grass y el potencial energético (J/ha).

•

Determinar el efecto de la fertilización nitrogenada en la productividad de biomasa, aplicado mediante fertirriegos.

•

Integrar mediante un análisis de sensibilidad económica, los costos asociados a la producción del cultivo y su transformación en electricidad, como herramienta de decisión ante diferentes escenarios.

3. Marco teórico 3.1 Características botánicas del cultivo 3.1.1 Nombre científico: •

Pennisetum purpureum

3.1.2 Nombres comunes •

King Grass,

•

Napier grass,

•

pasto elefante

3.1.3 Descripción botánica y entorno agroecológico King Grass es una gramínea forrajera con vocación de corte adaptada a condiciones tropicales, adaptada de los 0 a los 1500 msnm, con un rango amplio de distribución de lluvias y de fertilidad de suelos, incluyendo suelos ácidos de baja fertilidad natural. La especie es perenne y de crecimiento erecto, y puede alcanzar hasta 3 m de altura. El tallo es similar al de la caña de azúcar, puede alcanzar de 3 a 5 cm de diámetro. Las hojas son anchas y largas con vellosidades suaves y no muy largas, verdes claro cuando son jóvenes y verde oscuro cuando están maduras. El King Grass ha tenido acogida en tierras altas y bajas, con suelos pobres y moderadamente ácidos, y con periodos secos prolongados, Ramírez et al. (2008) Para Muñoz (2011), King Grass puede producir hasta 26.3 Ton de materia seca (MS) con cortes cada 75 días sin fertilizar, y hasta 37.7 Ton de MS fertilizado con 200 kg/ha de Nitrógeno. En Cuba se han obtenido rendimientos de 47.3 a 52.8 Ton MS/Ha con cortes 13

cada 60 días a una altura de 10 a 25 cm del suelo. Si el crecimiento del pasto no es interrumpido por bajas temperaturas y si el N y el agua no son limitantes, se obtienen altas producciones cortando el pasto a una altura de 0 a 15 cm del suelo cada 150- 180 días.

3.2 Usos comunes y alternativos Su uso en nuestro país se remonta a más de 100 años, como fuente de alimento para ganado, principalmente por sus altos valores nutricionales y su capacidad para fijar nitrógeno y mejorar las relaciones C/N de los suelos a lo largo del tiempo. Actualmente con el desarrollo de los proyectos de generación eléctrica y de generación vapor de agua paras las industrias, mediante cultivos biomásicos, el King Grass está dentro de una serie de cultivos que han ganado camino, en especial por sus altos valores calorimétricos, en el cuadro 1, se muestran los valores calorimétricos para diferentes cultivos, y desde diferente foros se ha fomentado su uso (Energy, Utility & Environment Conference, 2012) Cuadro 1 Generación de energía de diferentes tipos de biomasa Fuentes de energía King Grass /elefante/ Paraíso Capim Braciaria Eucalyptus Bagazo de caña Leña Alcohol Diesel Carbón mineral

Energía producida (kca/kg) 4200 3900 4600 3700 4200 6700 11400 11000

Fuente: Handbook of bioenergy.

3.3 Características agronómicas del cultivo 3.3.1 Preparación de suelos La labranza se refiere a las diferentes manipulaciones mecánicas de los suelos con el fin de mantenerlos en condiciones idóneas para el desarrollo de los cultivos. La labranza se puede clasificar como de tipo convencional o conservacionista, según la intensidad del uso y la preservación de las características deseables del suelo e incluso según los efectos en la conservación del agua, Silva-Acuña (2009). Las prácticas de labranza convencional comúnmente utilizan implementos como el arado de discos o rastras rompedoras para acondicionar y soltar el suelo. Estas prácticas hacen que en la mayoría de los casos se pulverice el suelo; así, cuando ocurren lluvias de altas intensidades, al estar el suelo suelto, se produce gran pérdida de éste. Además, algunas operaciones inherentes al cultivo, tales como la siembra, fertilización, control de plagas y cosecha, forzosamente son intervenciones que llevan a la compactación del suelo. Ante esta realidad, el objetivo de muchas investigaciones es la búsqueda de sistemas de labrar la tierra que propicien una mejor infiltración de agua en el suelo, una mejor aireación y, por consiguiente, mejores rendimientos en el cultivo de forma más sostenible como indico Villalobos et al. (2009). Es importante en función de la textura del suelo tomar las correctas decisiones vinculables con la labranza de un terreno, tipo de implemento, numero de pasadas, dirección de labranza. Toda vez que lo buscamos es preparar el terreno con las condiciones óptimas para el desarrollo del cultivo. A continuación y en función de la experiencia y a la recomendación 15

de diferentes autores se propone en el cuadro 2, las reglas generales de preparación de suelos. Cuadro 2. Reglas de labranza para la preparación de suelos. Tipo de labraza

Implemento Subsolado Rastras de discos pesada >> en texturas pesadas Roturado Rastras de cinceles >> en texturas livianas Afinado Rastra liviana o equivalente Sucardo + inyectado de manguera Surcador modificado Profunda

Número de pasadas 1--2

Profundidad > 60 cm

1--2

30-40 cm

1 1

20 cm 20 cm

Fuente: Experiencia personal del autor. El subsolado, es la práctica convencional para eliminar la compactación del suelo, generando una fragmentación del suelo por debajo de la capa arable, sin necesidad de voltear, los pases por lo general se realizan en sentidos opuestos a los de siembra. Rotulación, Esta operación rotura suelos compactos abriendo grietas y aflojando los terrones. En situaciones de suelo compactado por maquinaria o de suelo con una estructura no estable, esta operación abre suficientes poros en el suelo para permitir la infiltración de agua. La cantidad de pases depende de los problemas de estructura en el suelo, lo normal es que el último pase sea transversal al sentido de siembra Afinado, operación se usa para desmenuzar terrones y grumos y para formar un horizonte de gránulos finos, o sea, es la preparación de la cama de semilla. Surcado + Inyectado de manguera, para la colocación de la semilla en el suelo, se abren surcos donde se depositan las semillas de King Grass, a su lado y a una profundidad de 5 cm por debajo de la profundidad del surco se coloca la manguera de goteo enterrada, tal como se observa en la figura 1. 16

Máquina surcando e inyectando manguera

Labranza finalizada con manguera instalada

Maquina surcado fabricada por la empresa a 5 cm por debajo del nivel de surco. R&M. Figura 1. Fotografías de los procesos de labranza. Fuente el Autor 3.3.2 Semilla y siembra Indica Espinosa et al. (2003), la semilla botánica de King Grass tiene de 10 a 15 % de germinación, aunque se prefiere propagarlo vegetativamente por estacas. Las estacas deben proceder de tallos de 90 a 120 días de edad. Se recomienda usar cañas enteras que luego se cortan en pedazos en el mismo surco para ser tapados con una capa de 10 a 15 cm de suelo. El distanciamiento apropiado es de 1 a 1.5 m entre surcos. El primer corte se realiza entre 4 y 6 meses. La densidad de siembra del King Grass para la producción de biomasa y generación de energía no está bien definida por lo que se realizan investigaciones en este sentido y así optimizar la producción de biomasa (de Kh/Ha/Día)

Actualmente se utilizan varios sistemas de siembra que varían en las distancias entre camas y el número de hileras por cama, esto en función de la maquinaria de cosecha y de labranza. En forma general se puede decir que la siembra de King Grass con camas a 1.5 m y con 2 hileras da la mayor densidad por área (ver cuadro 3 y figura 2) Cuadro 3. Relación de población con respecto al espaciamiento Distancia líneas (m) 1.5 1.5 1.8

Surco Doble Sencillo Doble Fuente: El Autor

Metros lineales de semilla 13333.3 6666.7 11111.1

Figura 2. Plantación de King Grass de un mes, hilera sencilla 1.5m. Fuente el autor.

3.3.3 Técnicas de riego Netafim (2013), aconseja para el manejo del agua en el King Grass utilizar el riego por goteo. Este sistema de riego aumenta la eficiencia del suministro de agua hasta en un 95 %, disminuye los costos de mano de obra, ya que permite la fertilización y aplicación de químicos por el sistema de forma eficiente, especialmente en el invierno. La humedad del suelo se puede mantener cerca

de capacidad de campo requiriendo menos gasto

energético de la planta para su absorción. Con el riego por goteo reducimos la lixiviación de los nutrientes. La tubería de goteo se recomienda utilizarla enterrada, de esta forma se reduce la pérdida de agua por escurrimiento, mejora la distribución de agua y permite realizar labores mecanizadas de cosecha sin dañarlas. La profundidad recomendada es de unos 5 cm por debajo de la semilla. La tubería de goteo para usarla enterrada debe de tener un grosor de pared de 12.5 milésimas de pulgada o superior para que resista los años debajo del suelo. Con este grosor la tubería resiste al peso del suelo y a la instalación de ella. El gotero debe ser tipo auto regulado para garantizar la uniformidad en la descarga de agua y nutrientes, además con capacidad para evitar que el sucio o las raíces del cultivo se introduzcan en él. Es imperativo colocar las válvulas de aire después de la válvula de cierre del sistema para que al cerrar el lote pueda entrar aire y la tubería no succione aire al irse vaciando la tubería. Al no tener válvulas de aire la cinta succiona aire e introduce el sucio al gotero. Se recomienda tener también válvulas de aire en el múltiple de lavado, Muñoz (2011)

Figura 3. Conexión de mangueras de riego por goteo. Fuente el autor. El método ideal para determinar la cantidad de agua a aplicar durante el riego es por medio de la evapotranspiración diaria (ETo) y el estado de desarrollo del cultivo (Kc), Avidan (1994). Esta información se recolecta de una estación meteorológica y se introduce el dato en un programa para calcular el tiempo de riego. Aplicando este procedimiento garantizamos cubrir la necesidad de agua del cultivo en el momento oportuno y sin exceso, de esta forma se logra incrementar la rentabilidad, Guevara (2008). 3.3.4 Nutrición y fertirrigación La fertilización del King Grass debe de realizarse a través de un programa balanceado con los nutrientes que requiere la planta. Los nutrientes principales son el nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), magnesio (Mg), azufre (S) y calcio (Ca). El Potasio (K) desempeña un papel clave en el crecimiento, en el desarrollo celular y calidad de quemado de la biomasa. El magnesio (Mg) tiene la asignación fotosintética de la planta y su eficiencia depende, en gran medida, de la concentración de magnesio en el cloroplasto. Se estima 20

que con el azufre (S) sí se tiene las concentraciones adecuadas en la planta puede mejorar su eficiencia energética. La extracción y exportación de nutrientes en cada corte es total, haciendo insostenible el simple suplemento de nutrientes con las reservas del suelo. Lo que hace necesario proporcionar un balance nutricional continuo y completo, como el propuesto en cuadro 4 por Espinoza (2003). Cuadro 4. Se muestra el requerimiento de elementos por corte del King Grass de 5 meses Elemento N P2O5 K2O CaO

Kilos/Hectárea 166 29 195 25 Fuente: Espinoza 2003

Espinoza (2003), además recomienda que la ceniza que queda en las calderas se aplique de regreso a las plantaciones de King Grass. El análisis de esta ceniza es indispensable para determinar la cantidad de nutrientes que se devuelven al suelo y así reducirlos de las aplicaciones al cultivo, como indica Muñoz (2011). La fertilización se puede hacer al menos una vez por semana pero de preferencia a diario en cada riego. En invierno es más crítico la aplicación diaria ya que la pérdida de nutrientes por lixiviación es alta durante esta época y el exceso de agua afecta el cultivo. Bajo estas condiciones se recomienda realizar la fertilización con riegos de 1 mm de agua. A mayor frecuencia de fertilización, el aprovechamiento de los nutrientes por el cultivo también es mayor.

3.3.5 Cosecha Previo a definir las máquinas vinculadas a la corte mecánica del King Grass, se procede a mencionar las etapas de la cosecha o procesos que se siguen en la cosecha del King Grass. Corte-Alza-Transporte (CAT), es un término muy usada por la industria azucarera, en él se define las prácticas culturas que forman en términos integrados la cosecha de un gramínea. •

La Corta, es la actividad con cuchillas que tumba la estructura vegetativa superior, sin dañar la sepa enterrada de la planta, importante para el siguiente rebrote.

•

Es normal, entre la corta y el alza, dejar el King Grass en el campo unos 5 días, tiempo necesario para perder el exceso de humedad (hasta un 40%) de la planta y de esta forma hacer más sencillo y económico las siguientes etapas de la cosecha

•

Alza, constituye la labor de levantar el King Grass del campo, luego de la corta, y prepararlo en caminos para su transporte

•

Transporte, constituye el tránsito necesario desde el área agrícola, hasta el área industrial

3.3.5.1 Cosecha con corta manual Es la actividad en la cual mediante personas, se realiza la corta de la plantas, las mismas son acomodadas en medio de calles y posteriormente con tractores con garras se hace las labores de alza para su posterior transporte.

3.3.5.2 Cosecha con cosechadora de caña Esta labor se hace usando la cortadora de caña tradicional, la cual es una máquina que corta las plantas, las pica y mediante un boom las transporta directamente a una carreta que es remolcada por un tractor a la par de la cosechadora. 3.3.5.3 Cosecha con forrajera, Esta es una máquina que corta la planta, la deja en campo durante un par de días para un posterior pase de levante con un mecanismo de embaladora.

3.4 Potencial energético El King Grass es un cultivo de alto potencial energético: en términos de calorías totales y su capacidad de acumular mucha biomasa, a partir de estas ventajas se considera viable en proyectos degeneración eléctrica. En el cuadro 5 se observa el potencial de energía del cultivo a diferentes edades y en diferentes estructuras de la planta. Cuadro 5. Potencial calorimétrico de las estructuras del King Grass en diferentes edades Sección del King Grass

Edad en meses

Hoja Tallos Mezcla Hoja Tallos Mezcla Hoja Tallos Mezcla

3 3 3 4.5 4.5 4.5 6 6 6

Rendimiento energético (Calorías por Gramo) 3,770.15 3,813.70 3,869.54 3,675.11 3,511.86 4,066.56 3,474.25 3,465.16 2,606.98

Fuente: Muñoz et al. 2011

Otros trabajos como los desarrollados por Salaices (2010), donde caracterizan las biomasa en función de su composición química (cuadro 6), en donde en función de la característica de los tejidos de la cultivos herbáceos tiene gran capacidad de generar lignificados los cuales pueden ser utilizados eficientemente en procesos de pirolisis.

Cuadro 6. Composición química típica de la biomasa Biomasa Residuos agrícolas Madera Cultivos herbáceos

Celulosa

Hemi- celulosa

30.6 - 43.4 36.4 - 50.3 22.5 - 39.4

12.2 - 25.5 12.7 - 23.2 13.8 - 28.8

Total de lignificado Wt% 16.9 - 27.6 16.6 - 28.6 10.9 - 31.9

Ash 2.8 - 13.5 0.4 - 9.7 6.6 - 34.2

Fuente: Salaices (2010)

3.4.1 Procesos de conversión En términos energéticos, la biomasa del King Grass es considerada como un recurso renovable, y a nivel ingenieril funciona como una batería eléctrica, donde mediante procesos de fotosíntesis, se fija la energía del sol y se produce materia orgánica. Cuando la misma es sometida a procesos de quema se libera la energía almacenada en la planta como calor, y el proceso ingenieril estará en su conversión en energía eléctrica. La electricidad producida, BUN-CA (2002), es considerada como una energía verde, pues no contribuye al efecto invernadero por estar libre de emisiones de dióxido de carbono, por lo que la vuelve atractiva para inversiones innovadoras en tecnologías eficientes que incrementarán la industria bioenergética. La cogeneración de vapor y electricidad, es también uno de los grandes valores agregados, dado que el vapor además de generar energía puede ser utilizado en diferentes procesos de fabricación textil y agroindustrial como ya ha sido utilizado en nuestra región, Muñoz (2011) 24

La conversión de la biomasa se puede dar por medio de dos procesos que analizaremos a continuación: •

Combustión directa en caldera o Convencional 450-500 °C o Alta temperatura de 600-650°C

•

Combustión termo química o de gasificación o Convencional 700-900 °C o Alta temperatura de 900-1000°C

Según Salaices (2010) la influencia en el método influye en la calidad de los subproductos y su capacidad de generación de calor, además la cual representa tanto la temperatura y el tiempo. A este respecto, una consideración importante es en la fase de gas, donde se produce en este régimen térmico olefinas que reaccionan para dar compuestos aromáticos. Agrega, un enfoque sistemático para la clasificación de productos de pirolisis como primaria, secundaria y terciaria. Este enfoque puede ser empleado también para comparar productos de los diversos reactores que se utilizan para la pirólisis y la gasificación. •

Los productos primarios: se caracteriza por productos derivados de la celulosa tales como levoglucosano, hidroxiacetaldehido, y furfurales; hemicelulosa productos derivados análogos; y metoxifenoles derivados de la lignina;

•

Productos secundarios: caracterizados por fenólicos y olefinas,

•

Alquilo terciarios: productos incluyen derivados metílicos de hidrocarburos

•

aromáticos, tales como metilo acenaftileno, metilnaftaleno, tolueno, e indeno;

•

Productos terciarios Condensados: muestran la serie HAP sin sustituyentes: benceno, naftaleno, acenaftileno, antraceno / fenantreno, y pireno.

3.4.2 Calderas Las calderas están dotadas de una cámara de combustión en su parte inferior, donde se quema la biomasa, los gases de la combustión pasan por un intercambiador de calor, donde se transmite el calor al agua, produciendo vapor. Existen modelos tan sencillos como el típico horno, hasta los modelos más modernos con lecho fluizado, las eficiencias de las misma dependerá del control que tengamos de los factores, la energía liberada se desperdicia y pueden causar contaminación cuando no se realizan bajo condiciones controladas. Estos resultados se podrían disminuir considerablemente con prácticas mejoradas de operación y un diseño adecuado del equipo. Por ejemplo, secar la biomasa antes de utilizarla reduce la cantidad de energía perdida por la evaporación del agua y para procesos industriales, usar pequeños pedazos de biomasa y atender continuamente el fuego supliendo pequeñas cantidades resulta en una combustión más completa y, en consecuencia, en mayor eficiencia. Asimismo, equipos como los hornos se pueden mejorar con la regulación de la entrada del aire para lograr una combustión más completa y con aislamiento para minimizar las pérdidas de calor, BUN-CA (2002) 3.4.3 Gasificación Vargas (2012) indica que la gasificación de la biomasa es un proceso termo-químico en el que la biomasa, normalmente de origen leñoso, es transformada en un gas combustible (conocido como syngas, gas de síntesis, gas pobre, gas de madera o gas de gasógeno). Se 26

considera que el gas producido tiene un bajo o medio poder calorífico (1.000 - 3.000 kCal/ Nm3 ) si es comparado con el gas natural (9.000 kCal/m 3), el butano (28.000 kCal/Nm3) o el hidrógeno (2.500 kCal/Nm3) El gas producido contiene CO, H2, CH4, CO2, N2, vapor de agua entre otros componentes que se encuentran en menor cantidad. Estos compuestos se encuentran en el gas en proporciones distintas, principalmente según: la presentación y la composición de la biomasa, la tecnología utilizada para gasificar, el agente gasificaste y la relación agente gasificante/biomasa. El agente gasificante puede ser vapor de agua, oxigeno, aire o una mezcla de los anteriores, obteniendo el gas con menor poder calorífico cuando se utiliza aire, en este caso la entrada se limita entre un 20 y un 40% del teóricamente necesario para una combustión completa, y la temperatura de operación oscila entre 700 y 1.400°C según el tipo de tecnología utilizada y las condiciones del proceso. (Vargas 2012) El gas combustible generado puede ser aprovechado de diversas maneras: a través de procesos de combustión para producir electricidad y/o energía térmica o como gas de síntesis transformándose en productos de mayor valor añadido.

3.4.4 Plantas generadoras La obtención de energía eléctrica a través de la quema de biomasa sólida se realiza generalmente a gran escala (plantas mayores de 2MW). Esto es debido principalmente a

que las instalaciones necesarias requieren una gran inversión económica. Además, los rendimientos globales obtenidos son mayor cuanto mayor sea la potencia generada. El funcionamiento de una planta de biomasa para la generación de energía eléctrica consiste en la recepción de la biomasa, posteriormente se colocan automáticamente en una cinta transportadora, que las conduce hasta la caldera. Allí, previamente desmenuzadas, caen a una parrilla vibratoria que favorece la combustión y la evacuación de inquemados. Dicha combustión calienta el agua que circula por las tuberías de las paredes de la caldera y por haces de tubos en el interior de la misma convirtiéndola en vapor sobrecalentado (AGENBUR 2014) El vapor sobrecalentado mueve una turbina conectada a un generador que produce electricidad a una tensión determinada, transformándola posteriormente a otra tensión mayor para su incorporación a la red general. Por último, los inquemados depositados en el fondo de la caldera, se trasladan a un vertedero autorizado, y las cenizas volantes, retenidas por un filtro, se aprovechan para fertilizantes agrícolas. El esquema que se muestra en la figura 4 corresponde a la planta de combustión de paja de Briviesca, la potencia instalada son 16 MW, AGENBUR (2014).

Figura 4. Modelo de una planta generadora de electricidad con Biomasa Fuente: AGENBUR

3.5 Mercado energético Según el MINAE (2011), en el año 2010, sin cambios significativos a la fecha, Costa Rica concentra como principal insumo para producción de energía eléctrica las plantas hidroeléctricas, como se ve en la figura 5, donde la biomasa representa tal solo 1% de lo generado

Figura 5. Matriz generación eléctrica en Costa Rica en el 2010 Fuente: MINAE Al revisar el Plan Nacional 2012-2030, se observa que existe un interés a nivel estatal del desarrollo de propuestas de generación alternativa con biomasa, no obstante aun si materializarse un proyecto concreto, el cual para 2013 debía estar listo según los ejes estratégicos del plan, MINAE (2011) A raíz de los incrementos en los precios de la electricidad en la última década, ver cuadro 7, diferentes empresas privadas han desarrollado proyectos de cogeneración privado para su autoconsumo, además de otros como los ingenios azucareros donde mediante acuerdos con las Instituciones reguladoras de la electricidad, han logrado vender sus excedentes a la red eléctrica nacional, BUN-CA (2002) Cuadro 7. Histórico de precios de la electricidad en Costa Rica

Fuente MINAE (fecha)

Otras experiencias en países como Canadá, Moore (2013) indica que bajo escenarios de precio de venta de 0.22 USD/KWh, los proyectos alcanzan rentabilidades enormes con una recuperación del capital entre 1 a 3 años.

4. Metodología 4.1

Marco temporal – espacial

4.1.1 Marco temporal •

El cultivo del King Grass se realizó entre los meses de febrero a julio del año 2014

•

La siembra se realizó el 15 de febrero

•

La cosecha se realizó el 24 de julio

•

El tiempo total del cultivo en campo fue 159 días (ver fotos de cultivo en Figura 6)

22 días después de germinación

germinación

5 meses Figura 6. Fotos durante el ciclo de cultivo

4.1.2 Marco Espacial •

La siembra se realizó en instalaciones de la empresa Pelón de la Bajura,

•

Localización política: Cantón de Liberia, Provincia de Guanacaste

•

Ubicación geográfica a los: o

10°29´09,26’’ N

85°26´03,82´´ O

o elevación de 14 msnm o Detalles espacial en figura 7

Sitio de prueba

Planta Arrocera

Figura 7. Imagen aérea del sitio de ensayo Fuente:Google Earth

4.2 Condiciones agroecológicas del ensayo 4.2.1 Condiciones climáticas •

La temperatura media durante los ensayos osciló los 28°C 33

•

La humedad relativa fue superior a los 70% a lo largo del ensayo

•

La radiación promedio en los meses secos (febrero-abril) rondó los 22 MJ/m2/día y de 17 MJ/m2/día para los meses secos.

•

Entre los meses de febrero a abril se aplicó riego según las evapotranspiraciones presentes.

•

Para los meses de mayo a julio, el riego se realizó después de dos días continuos sin lluvia

•

En la figura 8 se presenta un resumen de las condiciones meteorológicas a lo largo del año

Figura 8. Datos meteorológicos Fuente FAO, CropWAT 4.2.2Condiciones de suelo •

Textura franco a franco arcilloso

•

Pendiente plana 34

•

Suelo profundo sin problemas de anegación

•

Buen suelo sin problemas de acides, la relación de las base está bien K, Ca, Mg bien solo el P está bajo y en los micros el Zn y Mn esta bajos, materia orgánica bien 3 %

•

se recomienda aplicar todo el nitrógeno con lo referente al potasio el suelo tiene potasio.

4.2.3 Condiciones de la planta •

El cultivo es una primera soca (cultivo en su segundo ciclo de producción),

•

la semilla original proviene de una plantación para King Grass para uso en ganadería, por lo tanto los resultados no son de plantas genéticamente adaptadas para producción de biomasa para producción de energía eléctrica.

4.3 Tipo de estudio El presente trabajo es un estudio estadístico descriptivo e inferencial que pretende identificar valores de rendimiento y biometría del cultivo, para luego analizar su potencial de productividad. De la misma forma este trabajo tendrá un análisis financiero, para conocer la sensibilidad en la implementación comercial de extensiones de terreno para la producción de energía eléctrica

4.4 Metodología para el análisis de productividad Se instaló un experimento bajo el diseño de bloques completos al azar, con tres tratamientos y 3 repeticiones. En el cuadro 8, se muestran los tratamientos aplicados. Se buscó determinar la mejor dosis nutricional de nitrógeno para la obtención de los 35

rendimientos de campo más altos en términos de toneladas de materia verde y seca por hectárea. La conformación espacial de cada unidad experimental es la siguiente: • • • •

El área experimental está dividida en válvulas con sistema de goteo enterrado, cada una para el control diferenciado de la nutrición Cada bloque tiene aproximadamente 3.0 Ha, para simular condiciones de plantaciones comerciales. Por parcela se llevó un tratamiento nutricional diferenciado en N para el aporte del fertirriego se contará con inyectores directos a la válvula Cuadro 8. Características de cada tratamiento Tratamiento Baja Nitrógeno Alta Nitrógeno Medio Nitrógeno

N (kg/ha) 85 171 131

P (kg/ha) 20 20 20

El fertilizante se aplicó porcentualmente a través del tiempo, tal y como se detalla en el cuadro 9. La lógica empleada fue la siguiente: •

En el mes 1, durante la germinación no se aplicó fertilizante por cuanto no hay un sistema radical definido

•

El mes 2,3 y 4 se distribuyó la cantidad de fertilización en función del desarrollo de la planta

•

Al mes 5 no se aplicó ya que cosecha está prevista para el mes 6.

Cuadro 9. Distribución de nutrientes a lo largo del ciclo % de distribución de elementos MESES N P 1 0 0 2 30 50 3 30 50 4 40 0 5 0 0

Para todo efecto, se llevó control experimental manteniendo las condiciones de manejo homogéneas para todos los tratamientos 4.4.1 Datos colectados Biometría Al momento de la cosecha se tomaron los siguientes parámetros en cada uno de los tratamientos, tomando muestreo cuarteados de cada una de las repeticiones: •

Cantidad de plantas por metro lineal

•

Altura total del tallo, del entrenudo superior e inferior (m)

•

Altura total de la planta (m)

•

Peso de tallos y hojas en kg y se interpolará a valores de toneladas por hectárea

•

Se tomó una muestra compuesta para cada uno de los tratamientos, para determinar el valor calorimétrico en el laboratorio

•

Las figuras 9 y 10 muestran el detalle de la preparación de los pesajes en campo.

Figura 9. Muestra de King Grass lista para pesaje

Figura 10. Proceso de pesado de muestras en campo

4.4.2 Análisis estadístico de la información recolectada. Con la información recolectada, se procedió a sistematizar y ordenar la información con la ayuda de la hoja electrónica de cálculo “Excel”, de Microsoft Office.

El análisis estadístico se utilizó para un diseño de bloques completo al azar, mediante el software gratuito “InfoStat”, 2011. Previo al análisis de varianza se realizaron gráficos BoxPlot para verificar la consistencia de los datos. Posteriormente se corrió un ANDEVA, para generar la información básica de verificación de los supuestos de del análisis (normalidad de los residuos y homogeneidad de las varianzas). Cumplido los supuestos se continuó con el análisis, en el caso donde se encontraron efectos significativos a nivel de tratamiento, se utilizaron pruebas de comparación múltiple, en este caso Tukey (α=0,05), para encontrar las diferencias. Se realizó el análisis de los residuales para poder verificar los supuestos del análisis de varianza.

4.5 Metodología para el cálculo del potencial energético y eléctrico 4.5.1 Medición de la materia seca •

El muestreo se basó de una muestra representativa de varias plantas frescas y saludables

•

Las plantas fueron seccionas y homogeneizadas, separas en por hoja y tallo

•

Se pesaron las muestras

•

Posteriormente se colocaron las muestras en el horno de microondas. Se colocó una taza con agua dentro del horno de microondas para prevenir que la muestra se sobrecaliente.

•

el secado se dio el tiempo de 10 minutos, el cual fue validado realizando pruebas de secado a diferentes tiempos.

•

Se pesó la muestra seca

% đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; (đ??ľđ?&#x2018;&#x20AC;) =

đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153; 100 đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;

(Tomado de la publicaciĂłn del SeĂąor Block en 2006) 4.5.2 DeterminaciĂłn del potencial energĂŠtico y elĂŠctrico Para efectos de las estimaciones del potencial energĂŠtico, se tomĂł una muestra compuesta de follaje y otra de tallo y se llevĂł a un laboratorio para la aplicaciĂłn de la prueba analĂtica mediante el uso de una bomba calorimĂŠtrica y la metodologĂa estĂĄndar de la A.O.A.C, con este se obtuvo el potencial energĂŠtico en tĂŠrminos de kcal/kg La energĂa total por tonelada de biomasa, es igual a la siguiente fĂłrmula: đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;ĂŠđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153; ( đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D; ) đ?&#x2018;&#x20AC;đ??˝ ]= đ??¸đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;Ăđ?&#x2018;&#x17D; [ â&#x2C6;&#x2014; 4186 đ?&#x2018;&#x2021;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A; đ??ľđ?&#x2018;&#x20AC; 1000 Como la potencia es una energĂa entre un tiempo al dividir la energĂa de la biomasa en 3600 s se obtiene el potencial elĂŠctrico teĂłrico que se alcanzar con la biomasa, no obstante al dividirlo entre la eficiencia de la caldera o el gasificador como un conjunto, se puede obtener el potencial elĂŠctrico real de la biomasa del King Grass đ?&#x2018;&#x20AC;đ??˝ đ??¸đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;Ăđ?&#x2018;&#x17D; [đ?&#x2018;&#x2021;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A; đ??ľđ?&#x2018;&#x20AC; ] đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x160;â&#x201E;&#x17D; ]= đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; [ đ?&#x2018;&#x2021;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A; đ??ľđ?&#x2018;&#x20AC; 3600 â&#x2C6;&#x2014; đ??¸đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2013;Ăłđ?&#x2018;&#x203A; Finalmente con el dato de rendimiento de campo se puede obtener el potencial elĂŠctrico en funciĂłn de un ĂĄrea de cultivo

đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x160;â&#x201E;&#x17D; đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; [đ?&#x2018;&#x2021;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A; đ??ľđ?&#x2018;&#x20AC; ] đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x160;â&#x201E;&#x17D; ]= đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ą. đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; [ đ?&#x2018;&#x2021;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A; â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x17D; % đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; (đ??ľđ?&#x2018;&#x20AC;) â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153; â&#x152;&#x2C6; â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x17D; â&#x152;&#x2030;

4.6 MetodologĂa para el estudio de sensibilidad financiera Se colectaron todos los costos asociados a lo largo del ciclo producciĂłn, ademĂĄs se realizaron entrevistas a expertos en el tema para generar una tabla de inversiones. Se procesĂł la tabla de inversiones en unidades de dĂłlares por hectĂĄrea por aĂąo, se realizĂł una proyecciĂłn de gastos por 10 aĂąos de vida Ăştil del proyecto, de esta forma se generĂł un flujo de caja para este periodo de tiempo. Con la informaciĂłn de productividad, en tĂŠrminos de toneladas por hectĂĄrea y a los valores de capacidad calorimĂŠtrica del material (calculados en el presente estudio), se realizĂł una proyecciĂłn para determinar el potencial en kilowatts por tonelada de biomasa, que al ser comparado con el precio de la electricidad, permitiĂł la determinaciĂłn del potencial de ahorro por auto producciĂłn de energĂa elĂŠctrica. Se diseĂąĂł una herramienta en Excel, que permite realizar las siguientes funciones: â&#x20AC;˘

Mediante un modelo matemĂĄtico y con los datos de producciĂłn obtenidos en los objetivos anteriores, se determina el potencial de energĂa elĂŠctrica que se puede producir.

â&#x20AC;˘

Con los datos detallados de los costos se preparĂł un flujo de caja a 10 aĂąos

•

Se comparan las inversiones por año y el posible ingreso por no compra de esta energía eléctrica.

• Se determinan los indicadores financieros VAN y TIR para analizar la factibilidad económica del proyecto.

5. Análisis de resultados 5.1 Resultados Generales Se sembraron 12.62 ha de pasto King Grass, con tres tratamientos nutricionales claramente identificados y tres repeticiones. Durante 5 meses (de febrero a julio) se realizaron trabajos de mantenimiento a la plantación, en la tercera semana de julio se cosechó todo el experimento. Resultado obtenido •

Rendimiento de campo obtenido de 99 ± 12 ton/ha promedio a todos los tratamientos

•

Porcentaje de materia seca 24%

•

Poder calorimétrico encontrado de 3, 800 cal/g de material seca o Hojas de 3,818 cal/g con un 14.8 % de cenizas o tallos de 3,844 cal/g con un 6.2 % de cenizas

Se observó que los valores en el poder calorimétrico de las plantas, prácticamente es la misma en tallos como en follajes, pero si se encontró una diferencia sustancial en la cantidad de ceniza que se produce, siendo el aporte de cenizas de las hojas de más del doble con respecto a los tallos. Este dato es importante para el manejo de las cenizas en los sistemas de transformación

5.2 Resultados biométricos por tratamiento Luego de procesar la información en Infostat, a continuación los resultados obtenidos:

Figura 11. ANDEVA de Peso muestra por hectárea

Se observa en la figura 11, que el cultivo responde adecuadamente a la fertilización nitrogenada, lo cual es algo esperable de acuerdo a una planta tipo C4, con esta información pudimos calibrar la curva de biomas producida en función de la nutrición de nitrógeno.

Figura 12. Relación del Nitrógeno con la productividad En el gráfico de la figura 12, se constata la relación: a mayor cantidad de N es más productiva, aunque las diferencias arrojadas entre el tratamiento bajo en nitrógeno no son estadísticamente representativas con el tratamiento medio en nitrógeno, si lo es con el tratamiento alto en nitrógeno. Se pudo calibrar una ecuación lineal con un correlación del 95%, es decir podemos aceptar que con valores cercanos a 150 kg de N/ha podremos obtener rendimientos de 100 ton/ha. Otras relaciones encontradas sin ser estadísticamente significativas se muestran a continuación:

Rel. Hoja/Tallo 0,4

0,35 0,3

0,25 85 KG N

131 KG N

171 KG N

Figura 13. Relación Hoja tallo

Al observar el gráfico de relación Hoja/tallo, vemos que las plantas tienen una tendencia, sin ser estadísticamente representativa, a concentrar mayor follaje a mayor sea la nutrición de Nitrógeno. A pesar que la planta tienen el mismo poder calorimétrico, como ya vimos, entre el follaje y el tallo, la cantidad de cenizas si es sustancial, por lo tanto cualquier esfuerzo en aumentar la nutrición para biomasa traerá como consecuencia un aumento en la cantidad de cenizas totales. Se tomaron otras relaciones biométricas como peso de la planta, alturas, etc, pero estas no arrojaron mayores diferencias y sus resultados no fueron estadísticamente representativos, no obstante como caracterización general del cultivo podemos decir: •

Se manejan en promedio unas 32 plantas por metro lineal de cultivo

•

La altura promedio de las plantas es de 3.7 m

•

Los pesos de cada planta 400 g (35% es follaje y 65% es tallo)

5.3 Resultados del potencial eléctrico Luego de realizar el cálculo de la materia seca se obtuvo que el pasto King Grass tiene un porcentaje de materia seca de un 24% y este material seco es lo que llamaremos como biomasa real aprovechable Luego de realizar las pruebas de laboratorio (ver anexos) se obtuvo que el potencial energético de las muestras fueron: •

Hojas de 3,818 cal/g con un 14.8 % de cenizas

•

Hojas de 3,844 cal/g con un 6.2 % de cenizas

Tal como se describió en la metodología, con esta información se pudo realizar los cálculos para el estimado de potencial energético •

Potencial energético Energía = 15,900 MJ/Ton(BM)

•

Potencial eléctrico teórico = 4.42 MWh/Ton(BM)

Si la eficiencia del sistema de conversión eléctrica (calderas + que todo el material no entra seco, más perdidas por equipos móviles etc) tenemos una eficiencia general estimada de un 30% •

Potencial eléctrico real = 1.33 MWh/Ton(BM)

Si consideramos que tendremos 2 cosechas al año y en cada uno producimos 100 Ton/ha •

Potencial eléctrico real = 63,6 MWh/ha-año

Si el precio de la electricidad en el mercado ronda los 0.18 us$/kWh •

Una hectárea de King Grass podría generar ahorros por no compra de energía de us$11,272/ ha-año

5.4 Resultados del análisis de sensibilidad económica Partiendo de la experiencia del autor y de las entrevistas realizadas en el sector cañero (con sistemas de producción similar al del King Grass) se realizó el siguiente cuadro de inversiones: Cuadro 10. Detalles de inversiones por hectárea Item

Subsolado rastreo afinado surcado Escarificado

Construcción Caldera Mantenimiento de Caldera Tierra alquiler por año

Cantidad

Und

Costo/und

Costo

Labranza 1 2 1 1 2

pase/ha pase/ha pase/ha pase/ha pase/has-año

$200.00 $150.00 $100.00 $100.00 $100.00

$200.00 $300.00 $100.00 $100.00 $200.00

Calderas y Tierra 1 1 1

Glb/ha Glb/has-año Glb/has-año

$400.00

$10,000.00 $150.00 $400.00

Glb/ha hr -año dias-ha -año

$3,000.00 $0.11 $1.00

$3,000.00 $330.00 $160.00

$28.00 $2.06 $0.46

$392.00 $164.80 $55.20

Riego Llave en mano Diesel M. O en operación

Urea Acido Fosfórico Cloro

1 3000 160

Fertilización Y mantenimiento sistema 14 QQ/ha-año 80 kg/ha-año 120 lts-año

Otras aplicaciones

siembra Tapado Semilla Resiembras

1 Semilla y siembra 1 1 0.25 1

GLB-año

$100.00

Glb/ha-año Glb/ha-año Glb/ha-año Glb/ha-año

$40.00 $100.00 $2,000.00 $100.00

$40.00 $100.00 $500.00 $100.00

$/ton Glb/ha-año

$12.00 $40.00

$2,400.00 $80.00

Cosecha CAT Secado

2 2

Supuestos usados: 1. Las labores de labranza son de acuerdo a los costos normales de las actividades según la experiencia del sector azucarero. 2. La construcción del gasificador/caldera es tomando un costos de 2 millones de dólares para una planta de 2 MW, 3. Si se realiza una explotación en 200 ha y sabemos que el potencia eléctrico real es de 63 MWh/ Ha/ año, eso quiere decir que tenemos disponibles casi 12,600 MWhaño 4. La inversión en calderas entre las 200 has nos dará un promedio de us$10.000/ha, pagaderas en el año cero y se considera un valor de rescate en el año 10 de un 25% del costo de calderas 5. Se asume un costo por mantenimiento de caldera anual de 15,000 us$/año/MW, es decir 150 us$/ha, bajo la regla de un proyecto de 200 ha 6. El terreno es arrendado con un costo de alquiler por año de 400 us$/has

7. En la sección de riego se considera una única inversión del sistema de riego y los costos anuales por operación y por mantenimiento 8. La parte de fertilización es aplicando los 150 kg/ha de N y 20 kg/ha de P, se consideran los costos por aplicación química de cloro para mantenimiento del sistema, se asumen otros aplicaciones para hacer fertirriegos con otros micro elementos 9. En siembra y semilla se consideran los costos de establecimiento de la plantación 10. La cosecha se considera en función del CAT de us$ 6/Ton, lo cual equivale a acarreos cortos de menos de 10 km del campo a la planta, dos veces año, de igual mente el secado. 11. Para le cálculo de CAT se considera que el campo produce 100 Ton/ha –corte de medio año 12. Se asume que al sexto año hay un ciclo de renovación de cultivo 13. Al sexto año la renovación del equipo de riego es solo manguera por eso se asumen solo us$ 800 / has 14. Tasa de interés del 15% 15. Si el precio de la electricidad en el mercado ronda los 0.18 us$/kWh De esta forma podemos correr un flujo de caja para el proyecto, donde todos los items anteriores son tabulados en los años y costos que corresponden según las referencias anteriores. Para la parte de los ingresos, consideramos que al producir con esta planta nuestra propia electricidad podremos tener un ingreso, por no compra de energía eléctrica,

superior a los us$11,000, esto asumiendo que el costo de la electricidad se mantendrá fija en los próximos años, como el escenario posible.

Cuadro 11. Flujo de caja Item

Subsolado rastreo afinado surcado Escarificado

Construcción Caldera Mantenimiento de Caldera Tierra alquiler por año

Cantidad

Und

Costo/und

Costo

Labranza 1 2 1 1 2

pase/ha pase/ha pase/ha pase/ha pase/has-año

$200.00 $150.00 $100.00 $100.00 $100.00

$200.00 $300.00 $100.00 $100.00 $200.00

$200.00 $300.00 $100.00 $100.00

Calderas y Tierra 1 1 1

Glb/ha Glb/has-año Glb/has-año

$10,000.00

$400.00

$10,000.00 $150.00 $400.00

Glb/ha hr -año dias-ha -año

$3,000.00 $0.11 $1.00

$3,000.00 $330.00 $160.00

$3,000.00

$28.00 $2.06 $0.46 $100.00

$392.00 $164.80 $55.20 $100.00

Glb/ha-año Glb/ha-año Glb/ha-año Glb/ha-año

$40.00 $100.00 $2,000.00 $100.00

$40.00 $100.00 $500.00 $100.00

$40.00 $100.00 $500.00

$/ton Glb/ha-año

$12.00 $40.00

$2,400.00 $80.00

años / us$/ha 5

$200.00

$100.00

$200.00

$200.00 $300.00 $100.00 $100.00 $100.00

$150.00 $400.00

$330.00 $160.00

$800.00 $330.00 $160.00

$330.00 $160.00

$392.00 $164.80 $55.20 $100.00

$100.00

Riego Llave en mano Diesel M. O en operación

Urea Acido Fosfórico Cloro Otras aplicaciones

siembra Tapado Semilla Resiembras

1 3000 160

Fertilización Y mantenimiento sistema 14 QQ/ha-año 80 kg/ha-año 120 lts-año 1 GLB-año Semilla y siembra 1 1 0.25 1

$100.00

$40.00 $100.00 $500.00 $100.00

$2,400.00 $80.00

Desembolsos

$16,820.00

$4,532.00

$6,572.00

$4,532.00

$4,432.00

Ingresos Saldos anual Saldo acumulado

$16,820.00 $16,820.00

$11,452.90 $6,920.90 $9,899.10

$11,452.90 $6,920.90 $2,978.21

$11,452.90 $6,920.90 $3,942.69

$11,452.90 $6,920.90 $10,863.58

$11,452.90 $6,920.90 $17,784.48

$11,452.90 $4,880.90 $22,665.38

$11,452.90 $6,920.90 $29,586.27

$11,452.90 $7,020.90 $36,607.17

$11,452.90 $7,020.90 $43,628.06

$13,952.90 $9,520.90 $53,148.96

Cosecha CAT Secado

2 2

Para este escenario el proyecto presenta una adecuada rentabilidad, dados que sus indicadores financieros son positivos •

Flujo positivo a partir del tercer año

•

VAN= us$ 17,700/ha

•

TIR= 39%

Ahora bien, haciendo uso de la herramienta y corriendo una serie de escenarios, algunos más positivos y otros más negativos, podemos verificar las variables más sensibles en el proyecto. Como las inversiones en riego, semilla, alquiler, operación, insumos etc, son bastante constantes, dentro de los análisis de sensibilidad las dejamos iguales, no obstante valores como: productividad, precio de la electricidad y costo de corta-alza-transporte (CAT) son los valores más susceptibles, hemos realizado corrido modelos diferenciando estos valores, toda vez que lo que buscamos encontrar los puntos de equilibrio en que el proyecto empieza a ser positivo en su indicador VAN, de esta forma encontramos cuales son los parámetros de riesgo del proyecto. En el cuadro 12, se presenta los resultados de la sensibilidad financiera ante cambios en los escenario del proyecto.

Cuadro 12. Escenarios sensibles, financieramente hablando para el proyecto TIR

VAN (us$/ha)

Electricidad aumenta un 5% por año

47%

28,460

Rendimiento de campo baja a 120 Ton/haaño

16%

522

Rendimientos superiores a estos hacen el proyecto rentable

CAT aumenta us$26/Ton, es decir más de 50 km del campo a la planta

16%

883

Distancias menores a 45 km hacen viable el proyecto

El precio de la electricidad baja a us$ 0.125/KWh

15%

173

Por arriba de este precio de electricidad el proyecto es rentable

Electricidad baja a us$ 0.15/kWh y el rendimiento baja a 150 Ton/ha-año

15%

-207

Un aumento en el precio de la electricidad o de la productividad hacen que el proyecto sea viable en este combinación de situaciones

CAT aumenta us$12.5/Ton, es decir más de 20 km del campo a la planta y la productividad baja a 150 Ton/ha

15%

-880

Un descenso en los 20 km de distancia campo a planta, o un aumento en la productividad hacen que el proyecto sea viable en este combinación de situaciones

Escenario

Comentarios Este es el escenario normal de crecimiento de los precios, por lo que podría considerarse dentro de un escenario real

6. Conclusiones y recomendaciones 6.1 Conclusiones 1. Existe una relación directa entre la aplicación de Nitrógeno y la cantidad de biomasa producida 2. Bajo un buen manejo de plantación y nutrición es posible cosechar arriba de 100 Ton/ha- corta de 5 meses 3. Aplicando cerca de 150 Kg de N por hectárea se puede esperar una producción de 100 Ton/ha de King Grass por corta 4. La planta presenta un peso de biomasa seca de un 24% con respecto al peso de la planta fresca 5. El potencia calorimétrico de la plantación ronda los 3800 cal/g, no existe mayores diferencias entre el follaje y los tallos, no obstante la cantidad de cenizas si fue mayor en el follaje 6. Es posible lograr potenciales eléctricos de generación de hasta 1.33 MWh/Ton de biomasa seca 7. Al producir 100 Ton/ha en dos cortas por año, el potencial eléctrico por unidad de área es cercano a los 63 MWh/ha-año 8. Según el escenario financiero presentado, el proyecto de generación eléctrica con plantaciones de King Grass es viable 9. La viabilidad financiera del proyecto es muy susceptible a una caída en la productividad de un 40% 55

10. La viabilidad financiera se ve comprometida si se incrementa la distancia entre el campo y la ubicación de la planta (más de 25 km) 11. Precios de la electricidad menores a los 0.15 us$/kWh y descensos en la productividad, comprometen la viabilidad del proyecto.

6.2 Recomendaciones generales 1. Este trabajo no contempla el secado del material biomasico, y sobre el tipo de cosecha, antes de su uso en calderas / gasificadores. Se recomienda realizar trabajos en profundidad para mejorar los procesos de secado y aumentar las eficiencias de los procesos de generación. 2. De igual forma no consideraron los aspectos de almacenamiento del King Grass, el cual es importante para el proceso de secado. 3. Este trabajo no consideró el equipo de transformación de la biomasa en el sentido si será mediante caldera ó gasificador, toda vez que lo que busca es dejar abierta la opción. 4. A nivel de generación eléctrica, es posible combinar el King Grass con cascarilla de arroz y otros subproductos agrícolas, vale la pena la investigación de potencial energético de estas combinaciones, según el equipo para la transformación. 5. Sería de gran utilidad poder analizar otras variedades de King Grass, inclusive algunas que ya se cuentan modificadas para proyectos de generación eléctrica 6. Hay que calibrar aún las curvas de nutrición por lo que se recomienda el trabajo de análisis foliares constantes, referidos a condiciones de suelo para entender mejor la forma de nutrir la planta. 56

6.3 Recomendación especial Se recomienda en forma especial, la continuación de este trabajo de investigación con un ingeniero electromecánico o similar, que analice las variantes a nivel de generación eléctrica: eficiencias de calderas, generadores, procesos de secado, técnica gasificación, combinación de King Grass con otros productos, y otros detalles. De esta forma se puede afinar de mejor forma el modelo técnico – financiero del proyecto. Para tal fin ponemos al servicio del futuro investigador, todo detalle, memoria de cálculo de esta tesis y colaboración técnica, de tal forma que la futura investigación, sea continuación del trabajo emprendido.

7. Bibliografía •

AGENBUR. 2014. Uso eléctrico de la Biomasa. España. Agencia de Energía de la Burgos. www.agenbur.com

•

Avidan, A. 1994. Determinación del Régimen de Riego de los Cultivos. La Evapotranspiración de los Cultivo. Haifa, Israel, Ministerio de Agricultura. (Fascículo N°2).

•

Block, E. 2006. Measure dry matter for a consistent ration. Estados Unidos. El Lechero e-magazine. Recuperado de: www.ellechero.com

•

BUN-CA. 2002. Manuales sobre energía renovable: Biomasa. San José, Costa Rica. Biomass User Network (BUN-CA)

•

Energy, Utility & Environment Conference (2012, Phoenix, AZ). 2012. Giant King Grass– Dedicated Crop for Bioenergy & Biofuels. California, USA.

•

Espinosa J; Bernal J. 2003. Manual de Nutrición y Fertilización de pastos. IPNI.

•

Espinoza L. 2003. Manual de Nutrición y Fertilización de pastos. Quito Ecuador. INPOFOS.

•

Espinoza, F; Argenti, P; Gil, J; León, L; Perdomo, E. 2001. Evaluación del pasto King Grass (pennisetum purpureun cv. King Grass) en asociación con leguminosas forrajeras. Zootecnia Tropical

•

FAO. Programa CROPWAT 2014.

•

Gibson,L. 2011. Provident Agro to Plant VIASPACE Giant King Grass in Indonesia. Recuperado de: www.biomassmagazine.com

•

Guevara, G. 2008. RiegosPlus. Software para el diseño de métodos de Riego Manual del Usuario. Serie en Ingeniería Agrícola. Cartago, Costa Rica, Taller de Publicaciones Instituto Tecnológico de Costa Rica.

•

MINAE. 2011. VI Plan Nacional de Energía 2012-2013. San José. Costa Rica. Ministerio del Ambiente y Energía. República de Costa Rica

•

Moore, S; Durant, V; Mabee, W. 2013. Determining appropriate feed-in tariff rates to promote biomass-to-electricity generation in Eastern Ontario, Canada. Energy Policy, Recuperado: http://dx.doi.org/10.1016/j.enpol.2013.08.076i

•

Muñoz, R; Lardizabal, R. 2011. Manejo Agronómico de King Grass para producción de biomasa en Honduras. Tegucigalpa, Honduras. Secretaría de Relaciones Exteriores.

•

Netafim Corp. 2013. Drip Irrigation Handbook. Israel, Netafim.

•

Ramirez, J; Verdencia, D; Leonard, I. 2008. Rendimiento y caracterización química del Pennisetum Cuba CT 169 en un suelo pluvisol. REDVET Revista electrónica Veterinaria

•

Salaices, E. 2001. Catalytic Steam Gasification of Biomass Surrogates: A Thermodynamic and Kinetic Approach. University of Western Ontario – Electronic Thesis and Dissertation Repository.

•

Silva-Acuña, R. 2009. Influencia de dos sistemas de labranza y profundidades de siembra. Revista Científica Agronomía Tropical.

•

Vargas, C; 2012. Estudio Comparativo de la Utilización de las Tecnologías de Gasificación Downdraft y Lecho Fluido Burbujeante para la Generación de Energía Eléctrica en Aplicaciones de Baja Potencia. Valencia España. Instituto de Ingeniería Energética, Universidad Politécnica de Valencia. 59

•

Villalobos-Araya, M. Guzmán-Aria, I., y Zúñiga-Pereira, C. (2009). Evaluación de tres tipos de labranza en el cultivo de la papa (Solannum tuberosum). Cartago. Costa Rica. Tecnologia en Marcha, editorial Tecnológica.

•

Voegele,

2013.

Viaspace

announces

www.biomassmagazine.com

contract

with

Agri-Corp.