Cuantificación de la oferta y demanda de biomasa forestal para la generación de energía eléctrica...

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Tesis:

Cuantificación de la oferta y demanda de biomasa forestal para la generación de energía eléctrica renovable en el Gran Área Metropolitana Por: Andrés Ávila Aguilar

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

Tesis:

Cuantificación de la oferta y demanda de biomasa forestal para la generación de energía eléctrica renovable en el Gran Área Metropolitana Por: Andrés Ávila Aguilar

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ÁREA ACADÉMICA AGROFORESTAL

PROGRAMA DE MAESTRÍA EN GESTIÓN DE RECURSOS NATURALES Y TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN

CUANTIFICACIÓN DE LA OFERTA Y DEMANDA DE BIOMASA FORESTAL PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA RENOVABLE EN EL GRAN ÁREA METROPOLITANA

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

ANDRÉS ÁVILA AGUILAR

Campus Cartago, Costa Rica

2015

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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 Máster en Gestión de Recursos Naturales y Tecnologías de Producción.

Ing. Dagoberto Arias, Ph.D. Profesor Tutor

Ing. Diego Camacho, MBA Profesor Lector

Ing. Rooel Campos Rodríguez, Ph.D. Presidente del Tribunal

Andrés Ávila Aguilar, B.Sc. Sustentante

2015

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Índice general de contenidos Capítulo 1. Introducción .............................................................................. 7 Capítulo 2. Objetivos ................................................................................. 11 Objetivo general .................................................................................................... 11 Objetivos específicos ........................................................................................... 11

Capítulo 3. Artículo .................................................................................... 12 Resumen ................................................................................................................ 12 Palabras clave ....................................................................................................... 12 Abstract.................................................................................................................. 13 Keywords ............................................................................................................... 13 Introducción .......................................................................................................... 13 Metodología ........................................................................................................... 15 Resultados y discusión........................................................................................ 20 Conclusiones ........................................................................................................ 28 Recomendaciones ................................................................................................ 29 Agradecimientos ................................................................................................... 30 Bibliografía ............................................................................................................ 30

Capítulo 4. Conclusiones y recomendaciones generales ....................... 32 Anexos ................................................................................................................... 34

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Índice de cuadros Cuadro 1. Volumen de madera autorizado para aprovechamiento según tipo de permiso, años 2011, 2012 y 2013. ................................................ 18 Cuadro 2. Especies forestales con mayor volumen aprovechado durante el 2011, 2012 y 2013. .................................................................................. 19 Cuadro 3. Volumen de madera autorizado para aprovechamiento por área de conservación, años 2011, 2012 y 2013. ....................................... 20 Cuadro 4. Consumo mensual promedio de combustible para las calderas evaluadas .................................................................................... 21 Cuadro 5. Consumo mensual promedio según tipo de combustible ..... 22 Cuadro 6. Densidad y poder calórico de los combustibles líquidos utilizados en las calderas evaluadas ........................................................ 23 Cuadro 7. Volumen, masa equivalente y energía generada por los combustibles utilizados en las calderas evaluadas ................................ 23 Cuadro 8. Poder calórico de combustibles de biomasa y cantidad requerida para generar la energía utilizada por las calderas evaluadas .................................................................................................................... 23 Cuadro 9. Densidad de la madera (seca al aire) de melina, laurel y teca .................................................................................................................... 25

Índice de figuras Figura 1. Ciclo de un cultivo dendroenergético....................................... 26

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Lista de abreviaturas ABOPAC: Abonos del Pacífico S.A. BUN-CA: Biomass Users Network Centro América FAO: Food and Agriculture Organization of the United Nations INA: Instituto Nacional de Aprendizaje kg: Kilogramos kW-h: Kilowatt-hora MINAE: Ministerio de Ambiente y Energía.

MINAET: Ministerio de Ambiente, Energía y Telecomunicaciones MJ: Megajulios MW: Megawatts RECOPE: Refinadora Costarricense de Petróleo SIREFOR: Sistema de Información de Recursos Forestales TEC: Tecnológico de Costa Rica TJ: Terajulios ton: Toneladas UNED: Universidad Nacional de Educación a Distancia WMO: World Meteorological Organization

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN El interés por el uso de energías renovables ha crecido significativamente en los últimos años, siendo la biomasa uno de los principales alternativas consideradas para producir energía eléctrica en sustitución de los combustibles fósiles convencionales (McKendry, 2002). Una de las principales razones que ha conducido a explorar el uso de estas fuentes alternativas de energía es el panorama incierto que enfrentan las fuentes de combustibles fósiles en el mediano plazo.

El consumo de energía primaria (aquella contenida en los recursos naturales previa a ser convertida o transformada) a nivel global aumentó un 2,3% en el 2013 con respecto al 2012, incluyendo un aumento en el consumo de petróleo de 1,4 millones de barriles por día (British Petroleum, 2014a). Para el año 2035, el consumo de energía global está proyectado a aumentar en un 41% (British Petroleum, 2014b).

La tendencia registrada en cuanto a este consumo creciente presenta entre otros dos serios problemas: en primer lugar, de mantenerse el ritmo actual de descubrimiento de yacimientos de petróleo y producción de combustible, se estima que las reservas mundiales de crudo podrían presentar problemas de agotamiento para el año 2058 (MINAET, 2011a), lo cual implicaría una crisis de abastecimiento y alzas de precios con serias repercusiones a nivel mundial, especialmente en el caso de países importadores y dependientes de abastecimiento de combustible externo como Costa Rica.

En segundo lugar, un acelerado aumento en el consumo de combustibles fósiles implica una mayor cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero liberados a la atmósfera, los cuales para el año 2013 alcanzaron un nuevo máximo a nivel global, con concentraciones de CO2 representando 142% más de lo registrado para la época preindustrial (WMO, 2014). Debido

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a esto y al panorama incierto que enfrentan los reservorios de combustibles fósiles en el mediano plazo, muchos países han empezado a considerar seriamente distintas alternativas que no sólo aseguren el abastecimiento energético, sino que también generen un impacto menor en cuanto a la emisión de gases de efecto invernadero.

Una de las alternativas que podría ayudar a Costa Rica a reducir su dependencia de los hidrocarburos, es el uso de biomasa. De acuerdo a la Encuesta de Oferta y Consumo Energético Nacional a Partir de la Biomasa en Costa Rica para el Año 2006 (MINAE, 2007), los residuos biomásicos que se generan en el país poseen un contenido de energía de 60,354 TJ, con lo cual se podría generar alrededor de 635 MW de electricidad durante todo el año. En el año 2011, el consumo total de energía en Costa Rica fue de 151 901 TJ (MINAE, 2012) por lo que los residuos biomásicos tendrían el potencial de cubrir el 39,73% de los requerimientos energéticos anuales del país. A pesar de este potencial considerable, el 40,3% de estos residuos se pierden y no son utilizados (MINAET, 2011a).

Uno de los principales beneficios de utilizar biomasa como fuente de energía es la naturaleza renovable de este recurso, cuyo uso con fines energéticos constituye un ciclo cerrado de carbono. Todas las plantas capturan carbono mientras crecen; una vez que la biomasa de estas plantas se quema, el dióxido de carbono liberado es absorbido por la siguiente cosecha en crecimiento, cerrando el ciclo y en algunos casos incluso secuestrando una mayor cantidad de carbono que el que fue liberado por la combustión inicial (McKendry, 2002).

De acuerdo a BUN-CA (2002), otras ventajas que ofrece el uso de biomasa combustible incluye las siguientes:

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

El aprovechamiento de residuos forestales, agrícolas y urbanos con fines energéticos reduce el problema de manejo de desechos.



La combustión de biomasa produce una menor cantidad de cenizas que el carbón mineral, y los residuos pueden utilizarse como insumo orgánico en los suelos.



La biomasa es un recurso que no está sujeto a fluctuaciones en los precios de la energía, y su uso disminuye la necesidad de importar combustibles y estimula las economías rurales.



Los combustibles obtenidos a partir de biomasa contienen niveles despreciables de sulfuro y no contribuyen a emisiones causantes de lluvia ácida.



Las plantaciones de cultivos energéticos ayudan a reducir la contaminación del agua, contribuyen a la conservación de los suelos, y fomentan el mantenimiento de la biodiversidad. Además, Esquivel et al. (2013) señalan que las plantaciones dendroenergéticas logran aumentar los reservorios de carbono no atmosférico mediante el secuestro del mismo al fijarlo en la biomasa y en el suelo.

Naturalmente, el uso de la biomasa para generar energía también se enfrenta a algunas limitaciones o retos técnicos. Entre los principales, BUNCA (2002) y MINAE (2007) incluyen los siguientes: 

Se requieren grandes volúmenes de biomasa para producir potencia en comparación con los combustible fósiles.



La disponibilidad de muchos de los residuos es estacionaria, por lo que la oferta de biomasa puede variar de un mes a otro.



La combustión incompleta de la biomasa en equipos no adecuados produce gases perjudiciales como monóxido de carbono.



La producción y procesamiento de la biomasa puede requerir insumos significativos tales como combustible para vehículos y fertilizantes.

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Preferiblemente se debe ubicar el proceso de conversión cerca de donde se genera la biomasa. 

En Costa Rica, la plataforma económica y política para incentivar el desarrollo de las tecnologías de biomasa es muy débil.



El potencial calórico del combustible biomásico dependerá de variaciones en el contenido de humedad, clima, y densidad de materia prima.

En la mayoría de los casos, estos obstáculos representan retos que pueden ser superados mediante la implementación de mejoras técnicas, y no deben constituir un freno para el desarrollo de esta alternativa energética.

En Costa Rica existe interés por producir biomasa en cantidades considerables y de modo económicamente viable, lo cual representaría una alternativa de uso para tierras de menor productividad para cultivos tradicionales pero aptos para establecer árboles y cultivos lignocelulósicos, mejoraría la economía de zonas rurales mediante encadenamiento productivo, y reduciría la dependencia de combustibles fósiles contaminantes (Arias, 2013). Sin embargo, para establecer un modelo productivo exitoso el primer paso debe ser cuantificar la oferta y demanda de biomasa como materia prima, el cual es el principal objetivo de este estudio. Para lograr esto, se ha elegido cuantificar la demanda potencial de combustible biomásico de las principales calderas industriales dentro del Gran Área Metropolitana, además de estimar la oferta del recurso mediante la cuantificación de los residuos de la industria de la madera dentro de la misma área. El balance final entre la oferta y la demanda podrá utilizarse como punto de partida para explorar la viabilidad de establecer plantaciones forestales en el área de estudio con el fin de suplir la materia prima requerida por la industria.

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CAPÍTULO 2: OBJETIVOS Objetivo general Definir la oferta y demanda potencial de biomasa de origen forestal para la generación de energía renovable en el Gran Área Metropolitana.

Objetivos específicos 

Cuantificar la demanda potencial de biomasa como combustible de los principales usuarios de calderas industriales dentro del Gran Área Metropolitana.



Evaluar el interés de la sustitución de combustibles fósiles por biomasa forestal renovable en empresas que utilizan calderas para la generación de energía, e incidir en su fomento.



Calcular la oferta actual de biomasa proveniente de residuos de las actividades de aprovechamiento de la madera dentro del Gran Área Metropolitana.



Crear una línea base de datos que permita determinar la viabilidad del establecimiento de plantaciones forestales para suplir la demanda potencial de biomasa en el área de estudio.

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CAPÍTULO 3: ARTÍCULO

Cuantificación de la oferta y demanda de biomasa forestal para la generación de energía renovable en el Gran Área Metropolitana de Costa Rica Supply and demand quantification of forest biomass to generate renewable energy in Costa Rica’s metropolitan area Andrés Ávila Aguilar Maestría en Gestión de Recursos Naturales y Tecnologías de Producción Tecnológico de Costa Rica Costa Rica Correo electrónico: andres.avila97@gmail.com Resumen Costa Rica es un país vulnerable a crisis energéticas por su dependencia al abastecimiento externo de combustible. La biomasa forestal ofrece una alternativa de energía renovable, menos contaminante, y producida en el país.

Se cuantificó la oferta y demanda potencial de biomasa como combustible para calderas industriales del Gran Área Metropolitana, determinando el consumo de combustible en calderas y la cantidad de residuos de biomasa generados por la industria de aprovechamiento de la madera. De 22 calderas estudiadas, se obtuvo una demanda total de 6 696,67 ton de biomasa al mes.

La oferta total de residuos en el área de estudio se estimó en 1 992,86 ton de biomasa al mes. El faltante teórico de 4 703,81 ton de biomasa al mes presenta una oportunidad para el establecimiento de plantaciones forestales dendroenergéticas dedicadas a suplir la demanda, lo cual contribuiría a la recuperación de suelos degradados, la reducción en emisiones de gases de efecto invernadero, y la estimulación de economías locales.

Palabras clave: biomasa, energía renovable, calderas, dendroenergía, plantaciones forestales de alta densidad.

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Abstract Costa Rica is vulnerable to energy crises due to its dependence of external fuel supply. Forest biomass can be used as an alternative to generate renewable clean energy that can be produced locally. This study quantifies the potential supply and demand of biomass fuel for industrial boilers in the metropolitan area, by determining current fuel consumption and potential supply of residues from forestry and wood industry. We studied 22 boilers which resulted in a total demand of 6696,67 ton of biomass per month. The supply of wood residues amounted to 1769,07 ton of biomass per month. The theoretical deficit of 4703,81 ton of biomass per month presents a valuable opportunity for establishing forest plantations to meet the supply, which would also help recuperate degraded soils, reduce carbon emissions, and stimulate local economies.

Key words: biomass, renewable energy, boilers, dendroenergy, high-density forest plantations.

Introducción La disponibilidad y el abastecimiento de combustibles fósiles enfrentan un panorama incierto en el mediano plazo. De acuerdo a datos de British Petroleum (2014a), el consumo de energía primaria a nivel global aumentó un 2,3% en el 2013 con respecto al 2012, incluyendo un aumento en el consumo de petróleo de 1,4 millones de barriles por día. Para el año 2035, el consumo de energía global está proyectado a aumentar en un 41% (British Petroleum 2014b).

La posición de Costa Rica dentro de este contexto es delicada. Al ser un país dependiente en gran medida del abastecimiento externo de combustible, el modelo energético actual lo hace vulnerable a crisis de abastecimiento y alzas de precios en el mercado internacional. Esto se ha visto reflejado por ejemplo en el aumento progresivo del precio de la electricidad para usos industriales, el cual aumentó de 7,2 a 17,6 centavos de dólar por kW-h entre los años 2005 y 2013 (Montenegro, 2014), causando un impacto negativo considerable sobre la competitividad del país a la hora de atraer y retener inversión para el establecimiento de operaciones industriales.

Una de las alternativas que podría ayudar a Costa Rica a reducir su dependencia a los hidrocarburos es el uso de biomasa como fuente de energía. Según la Encuesta de

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Oferta y Consumo Energético Nacional a Partir de la Biomasa en Costa Rica para el año 2006 (MINAE, 2007), los residuos biomásicos generados en el país poseen un contenido energético de 60 354 TJ, los cuales serían capaces de generar alrededor de 635 MW de electricidad durante todo el año. En el año 2011, el consumo total de energía en Costa Rica fue de 151 901 TJ (MINAE, 2012) por lo que los residuos biomásicos tendrían el potencial de cubrir el 39,73% de los requerimientos energéticos anuales del país. A pesar de este potencial, el 40,3% de los residuos se pierden y no son utilizados (MINAET, 2011a).

El uso de biomasa como fuente de energía presenta el beneficio ambiental de constituir un ciclo cerrado de carbono. Todas las plantas capturan carbono mientras crecen; una vez que la biomasa de estas plantas se quema para generar energía, el dióxido de carbono liberado es reincorporado por la siguiente cosecha en crecimiento, cerrando el ciclo y en algunos casos secuestrando una mayor cantidad de carbono que el liberado por la combustión inicial (McKendry, 2002). El potencial uso de la biomasa como combustible “carbono neutral” toma aún más relevancia considerando el hecho de que las emisiones de gases de efecto invernadero han alcanzado un nuevo máximo a nivel global, con concentraciones de CO2 para el año 2013 superiores en un 142% a lo registrado para la época preindustrial (WMO, 2014).

De acuerdo a BUN-CA (2002), otras ventajas que ofrece el uso de biomasa como combustible son: 

Se reduce el problema de manejo de desechos al aprovechar residuos forestales, agrícolas y urbanos.



La combustión de biomasa produce menos cenizas que el carbón mineral, y los residuos pueden utilizarse como insumo orgánico en los suelos.



La biomasa no está sujeta a fluctuaciones en los precios de la energía. Su uso reduce la necesidad de importar combustibles y estimula las economías rurales.

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

El particulado que se origina a partir de la combustión de biomasa contiene niveles despreciables de sulfuro y no contribuye a emisiones causantes de lluvia ácida.



Las plantaciones de cultivos energéticos ayudan a proteger el recurso hídrico, contribuyen a la conservación de suelos, y fomentan el mantenimiento de biodiversidad. Además, Esquivel et al. (2013) señalan que las plantaciones dendroenergéticas logran aumentar los reservorios de carbono no atmosférico mediante el secuestro del mismo al fijarlo en la biomasa y en el suelo.

En Costa Rica actualmente existe interés por producir biomasa en cantidades considerables y de modo económicamente viable, lo cual representaría una alternativa de uso para suelos de baja productividad para cultivos tradicionales pero aptos para establecer árboles y cultivos lignocelulósicos, mejoraría la economía de zonas rurales a través de encadenamiento productivo, y reduciría la dependencia de combustible fósiles contaminantes (Arias, 2013). Para poder establecer un modelo productivo exitoso, el primer paso debe ser cuantificar la oferta y demanda de biomasa como materia prima, el cual es el principal objetivo de este estudio. Para lograrlo, se decidió cuantificar la demanda potencial de combustible biomásico de los principales usuarios de calderas industriales dentro del Gran Área Metropolitana, además de determinar la oferta del recurso mediante la cuantificación de los residuos provenientes de las actividades de aprovechamiento de madera dentro de la misma área. El balance final entre la oferta y la demanda podrá utilizarse como punto de partida

para

explorar

la

viabilidad de

establecer

plantaciones

forestales

dendroenergéticas en el área de estudio dedicadas a suplir la materia prima requerida por la industria.

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Metodología Cuantificación de la demanda. Para determinar la potencial demanda de biomasa se eligió cuantificar el consumo de combustible de los principales usuarios de calderas industriales dentro del Gran Área Metropolitana. Para identificar las calderas se utilizó la base de datos del registro nacional de calderas, la cual es mantenida por el Departamento de Medicina, Higiene y Seguridad Ocupacional del Consejo de Salud Ocupacional del Ministerio de Trabajo. Al 30 de abril del 2014, la base de datos contenía un total de 1 670 registros de calderas para todo el país. Este total se filtró para obtener el número de calderas registradas en los 31 cantones que componen el Gran Área Metropolitana, con lo que se obtuvo un número de 1 170 calderas. Los registros de este nuevo set de datos fueron sometido a los siguientes criterios de selección: 

Se descartaron las calderas mayores a 30 años. De acuerdo a comunicación personal con el profesor Alberto Romero, de la Escuela de Ingeniería Electromecánica del Tecnológico de Costa Rica (TEC), el desgaste propio de las calderas de más de 30 años causa que no sea recomendable realizar la conversión técnica de las mismas para que puedan recibir biomasa como combustible en vez de diesel o búnker.



Se descartaron calderas con presiones de trabajo menores a 7 bares por considerarse muy pequeñas y propias de operaciones artesanales.



Se descartaron las calderas reportadas como fuera de servicio.



Únicamente se consideraron calderas que se encontraban al día con el permiso de funcionamiento y con las inspecciones periódicas realizadas por el Ministerio de Trabajo.



Se descartaron las calderas eléctricas.



Se descartaron

las calderas utilizadas para fines didácticos, como las

pertenecientes a la Universidad Estatal a Distancia (UNED) y al Instituto Nacional de Aprendizaje (INA). Únicamente se incluyeron calderas activas en operaciones industriales.

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Una vez filtrada la base de datos e identificadas las empresas que operaban las calderas de interés, se procedió a contactar a las mismas para aplicar una encuesta de diagnóstico de consumo y potencial demanda de material bioenergético (Anexo 1), modificada de la encuesta original diseñada por el profesor Diego Camacho y el estudiante Cristian Valenciano de la Escuela de Ingeniería Forestal del TEC (comunicación personal, 22 de abril de 2014).

Las cantidades totales que se obtuvieron de combustible se convirtieron a toneladas de biomasa utilizando los valores de densidad y poder calórico de los distintos combustibles reportados en el Manual de Productos de RECOPE (2011).

Cuantificación de la oferta. Se utilizaron los datos de los Reportes Estadísticos Forestales de SIREFOR para los años 2011, 2012 y 2013, con el fin de obtener un dato robusto del promedio del volumen de madera autorizado para aprovechamiento durante este periodo y que reflejara la tendencia de este dato a través del tiempo. El Cuadro 1 muestra todas las categorías de permisos de aprovechamiento maderable autorizadas por el MINAE. Las especies forestales con mayor volumen aprovechado se muestran en el Cuadro 2. Con el fin de obtener un estimado que correspondiera con el área de estudio, se consideró el volumen promedio de madera autorizado para el área de conservación Cordillera Volcánica Central (Cuadro 3), la cual incluye en sus límites a la mayoría de cantones del Gran Área Metropolitana. Con estos datos se procedió a calcular la cantidad de biomasa procedente de residuos, basado en los resultados de rendimientos de aserrío obtenidos por Quirós, Chinchilla & Gómez (2005) para tres especies de árboles comúnmente aprovechadas en plantaciones forestales.

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Cuadro 1.Volumen de madera autorizado para aprovechamiento según tipo de permiso, años 2011, 2012 y 2013.

Promedio (m3)

Desviación estándar (m3)

Coeficiente de Variación (%)

349 893,3

334 321.43

13 497,78

4,04

86 029

69 577,5

70 523,83

15 054,32

21,35

22 295

37 025

21 812,3

27 044,1

8647,08

31,97

Artículo 19 Ley Forestal

48

7

52,1

35,7

24,94

69,86

Mantenimiento Vial

1045

516

3439,2

1666,73

1557,62

93,45

Conveniencia Nacional

10 529

13 231

9352,7

11 037,57

1988,54

18,02

Seguridad Humana

801

773

546,5

706,83

139,56

19,75

Permiso Pequeño 1

19 336

22 792

18 023,2

20 050,4

2463,36

12,29

Permiso Pequeño 2

48

147

59,9

84,97

54,05

63,61

Planes de manejo

17 350

23 035

6583,4

15 656,13

8355,58

53,37

Total

454 525

509 248

479 340,1

481 037,7

27 400,97

5,7

Tipo de permiso

Volumen (m3) Año 2011

Volumen (m3) Año 2012

Volumen (m3) Año 2013

Certificado de Origen Plantación Forestal

327 108

325 963

Certificado de Origen Agroforestal

55 965

Inventario Forestal

Fuente: SIREFOR, Reporte Estadísticos Forestales 2011, 2012 y 2013.

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Cuadro 2. Especies forestales con mayor volumen aprovechado durante el 2011, 2012 y 2013.

Promedio (m3)

Desviación estándar (m3)

Coeficiente de Variación (%)

124 612,2

106 320.43

15 855,53

14,91

80 645

105 267,0

95 517,3

13 085,93

13,7

50 778,5

38 552

33 059,1

40 796,53

9070,43

22,23

Cupressus lusitanica

8951,1

14 108

28 297,6

17 118,9

10 018,53

58,52

Bombacopsis quinata

12 468,5

28 405

14 135,4

18 336,3

8759,49

Eucalyptus sp.

9120,7

N/A

13 665,4

11 393,05

3213,59

28,21

Vochysia guatemalensis

N/A

11 881

13 408,9

12 644,95

1080,39

8,54

Terminalia amazonia

17 965,3

11 479

8721,4

12 721,9

4745,63

37,30

Cedrela odorata

11 305,1

9919

8295,9

9840

1506,15

15,31

Pinus sp.

9971,8

9215

7515,9

8900,9

1257,72

14,13

Acacia mangium

16 969,4

12 334

N/A

14 651,7

3277,72

22,37

Subtotal

334 669,4

314 388

356 978,7

335 345,37

21 303,39

6,35

Otras especies

119 856,3

172 095

116 293,0

136 081,43

31 239,51

23,0

Planes de manejo

N/A

N/A

6583,4

N/A

N/A

N/A

Total

454 525,7

486 433,0

479 855,2

473 604,63

16 846,99

3,56

Especie

Volumen (m3) Año 2011

Volumen (m3) Año 2012

Volumen (m3) Año 2013

Tectona grandis

96 499,1

97 850

Gmelina arborea

100 639,9

Cordia alliodora

Fuente: SIREFOR, Reporte Estadísticos Forestales 2011, 2012 y 2013.

47,77

20

Cuadro 3. Volumen de madera autorizado para aprovechamiento por área de conservación en Costa Rica, años 2011, 2012 y 2013.

Área de Conservación

Volumen (m3) Año 2011

Volumen (m3) Año 2012

Volumen (m3) Año 2013

Promedio (m3)

Desviación estándar (m3)

Coeficiente de Variación (%)

Arenal Huetar Norte

106 582,5

115 801

101 419,9

107 934,47

7285,25

6,75

Tortuguero

95 681,7

70 501

40 987,5

69 056,73

27 375,69

39,64

Cordillera Volcánica Central

59 446,3

72 064

68 582,6

66 697,63

6516,62

9,77

Pacífico Central

43 899,7

38 108

74 306,1

52 104,6

19 443,92

37,32

Tempisque

40 334,0

73 769

52 182,1

55 428,37

16 952,24

30,58

Amistad Caribe

36 461,0

29 534

14 205,7

26 733,57

11 388,87

42,6

Amistad Pacífico

29 649,4

22 334

41 242,9

31 075,43

9534,76

30,68

Guanacaste

18 364,8

50 579

17 548,7

28 830,83

18 838,88

65,34

Osa

15 167,4

22 714

31 337,2

23 072,87

8090,87

35,07

Arenal Tempisque

8939,0

14 406

37 527,1

20 290,7

15 175,38

74,79

Total

454 525,8

509 810,0

479 339,8

481 225,2

27 690,28

5,75

Fuente: SIREFOR, Reporte Estadísticos Forestales 2011, 2012 y 2013.

21

Resultados y discusión Cuantificación de la demanda. A partir de los registros filtrados con los criterios de eliminación, se logró obtener los datos de consumo para un total de 22 calderas (Cuadro 4).

Cuadro 4. Consumo mensual promedio de combustible para las calderas evaluadas.

Empresa

Marca

Presión de trabajo (bar)

Combustible

Desconocido

Babcock & Wilcox

15,5

Búnker

1 558

Babcock & Wilcox

15,5

Búnker

1 504

Kewanee

7,0

Búnker

1 078

Cleaver Brooks

7,0

Búnker

1 528

Cleaver Brooks

8,8

Búnker

1 634

Cleaver Brooks

9,32

Búnker

1 310

Cleaver Brooks

9,32

Búnker

1 492

Cleaver Brooks

9,32

Búnker

1 662

Hurst

7,93

1 663

Hurst

7,93

Diesel

1 664

Hurst

7,93

Diesel

7,0

Búnker

8,8

Búnker

7,6

GLP

13 600 L

7,7

Búnker

15 142 L

# de registro de caldera

Bridgestone

Florida Bebidas

Florida Products

Hospital San Vicente de Paul

Planta Embotelladora Cristal

664

Alimentos Jacks

1 295

Costa Rica Country Club

791

744

Cleaver Brooks Cleaver Brooks Cleaver Brooks Cleaver Brooks

Consumo mensual

630 000 L

407 350 L

238 000 L

Diesel 30 000 L

125 940 L

22

Empaques Santa Ana

1 527

Cleaver Brooks

8,78

Búnker

1 731

Icavi

15,0

Leña

1 255

Distral

14,0

Leña

1 568

Hurst

10,0

Leña

8,79

Búnker

9,4

Búnker

8,4

Búnker

1 645 Dos Pinos

1 111 1 578

Cleaver Brooks Cleaver Brooks York Shipley

2 533 ton

225 000 L

El consumo total mensual según tipo de combustible se muestra en el Cuadro 5.

Cuadro 5. Consumo mensual promedio según tipo de combustible.

Combustible Consumo mensual total Búnker

1 641 432 L

Diesel

30 000 L

GLP

13 600 L

Leña

2 533 ton

Utilizando los valores de densidad de los combustibles líquidos (Cuadro 6), se procede a convertir el volumen de combustible en litros a masa en toneladas, y a calcular la cantidad de energía que dicha masa puede generar (Cuadro 7).

Posteriormente, se utilizan los valores del poder calórico de los pellets y chips de leña para calcular la cantidad de biomasa necesaria para generar la misma cantidad de energía (Cuadro 8).

23

Cuadro 6. Densidad y poder calórico de los combustibles líquidos utilizados en las calderas evaluadas.

Densidad (kg/L)

Poder calórico (MJ/kg)

Búnker

0,9366

41,0

Diesel

0,8845

42,7

GLP

0,533

45,8

Combustible

Fuente: Elaboración propia con datos de:  RECOPE (2011). Manual de productos.  FAO (1993). Análisis de la contribución forestal a la producción de energía en América Latina – Tomo 1 de 2.

Cuadro 7. Volumen, masa equivalente y energía generada por los combustibles utilizados en las calderas evaluadas.

Combustible

Volumen (L) Masa (ton) Energía generada (TJ)

Búnker

1 641 432

1537,36

63,03

Diesel

30 000

26,54

1,13

GLP

13 600

7,25

0,33

Leña

-

2533

38,0 Total = 102,49 TJ

Cuadro 8. Poder calórico de combustibles de biomasa y cantidad requerida para generar la energía utilizada por las calderas evaluadas.

Combustible

Poder calórico Masa requerida (ton) (MJ/kg)

Pellets

18,5

5 540,0

Chips de leña (base seca)

15,0

6 832,67

Fuente: Elaboración propia con datos de:  Pelletics (2011) ¿Qué son Pellets?  Zaror, Parra & Gonzáles (1998). Desafíos tecnológicos y ambientales para la gestión sustentable del sector forestal en los países de América Latina y el Caribe.

De acuerdo a los resultados obtenidos, la demanda total promedio de combustible de biomasa por mes para las calderas evaluadas sería de 5 540 toneladas de pellets, o

24

6832,67 toneladas en el caso de utilizar chips de leña (base seca). El poder calórico inferior de la leña con respecto al pellet causa que se necesite una mayor cantidad de este combustible para generar la misma cantidad de energía.

Si se excluye a las empresas que al momento de ser encuestadas manifestaron no tener interés en realizar conversión de calderas al corto o mediano plazo (Hospital San Vicente de Paul, Alimentos Jacks y Costa Rica Country Club), la demanda ajustada pasaría a ser de 6 696,67 ton de chips de leña seca al mes. Se puede apreciar que el efecto sobre la demanda no es significativo debido a que estos usuarios consumen poco combustible en comparación a las otras empresas consultadas.

Cuantificación de la oferta Durante el periodo 2011-2013 en el área de conservación Cordillera Volcánica Central se autorizó en promedio el aprovechamiento de 66 697,63 m3 de madera (Cuadro 3). Para obtener un estimado del porcentaje de este volumen que correspondería a residuos, se consideraron los resultados obtenidos por Quirós, Chinchilla & Gómez (2005), quienes reportaron rendimientos de aserrío en un rango entre 27 y 39% del volumen rollizo en troza luego de pasar por los procesos de aserrado, recanteado, despuntado y cepillado de la madera. Estos datos coinciden con lo encontrado por Serrano (1991), quien reportó rendimientos en el rango de 30 a 35% para trozas con 15 cm de diámetro y 2,5 m de longitud provenientes de raleos.

Moya (2000) también obtuvo resultados similares al aserrar 44 trozas de Terminalia amazonia con diámetro promedio de 12,3 cm y determinar un rendimiento del 35,2%.

Basado en los datos de estos estudios previos, se estimó un rendimiento promedio de 33% del volumen total de madera aprovechada, con lo cual el volumen de residuos correspondería al 67%, o 44 687,41 m3 de residuos de madera. Este volumen conformaría la oferta total teórica de biomasa para ser utilizada como combustible dentro del área de estudio. Aspectos como tipo de residuo, ubicación, costos de extracción y transporte no se tienen disponibles.

Para transformar el volumen de residuos en cantidad de masa, se utilizó la densidad de las tres especies forestales más comúnmente aprovechadas en Costa Rica. De

25

acuerdo a datos del SIREFOR (2012) y MINAET (2011b), las tres especies más utilizadas por la industria del aserrío son la melina (Gmelina arborea), el laurel (Cordia alliodora) y la teca (Tectona grandis). El cuadro 9 muestra la densidad de la madera de estas especies.

Cuadro 9. Densidad de la madera (seca al aire) de la melina, laurel y teca.

Especie

Densidad (kg/m3)

Melina

510

Laurel

450

Teca

640

Fuente: Elaboración propia con datos de:  Moya et al (2011). Tecnología de madera de plantaciones forestales: fichas técnicas.  Ecuador Forestal (2012). Ficha Técnica No. 8: Laurel.

Utilizando como base la densidad de estas tres especies, se estimó una densidad promedio de 533 kg/m3 para los residuos de madera. De acuerdo a este dato y al volumen determinado previamente de 44 687,41 m3, se obtiene una masa total de residuos de 23 914,33 ton al año, lo que equivale a una oferta teórica total de 1992,86 ton de residuos al mes. Aspectos como flujos mensuales de biomasa y ordenamiento del aprovechamiento no son considerados por falta de información.

Balance oferta/demanda y el papel de las plantaciones dendroenergéticas Según los resultados obtenidos, de llegar a adoptarse el uso de biomasa forestal como principal fuente de combustible para calderas industriales en el Gran Área Metropolitana, la potencial demanda mensual de biomasa excedería ampliamente la oferta (6 696,67 ton de biomasa requerida por calderas industriales al mes vs. 1 992,86 ton disponibles de residuos de la industria de la madera al mes, resultando en una déficit teórico de 4 703,81 ton de biomasa a ser obtenida de otras fuentes, equivalente a 56 445,72 ton al año). Esta diferencia significativa entre la oferta y la demanda, la cual aumentaría aún más si se incluyeran las calderas que no fueron parte de este estudio,

representa una oportunidad valiosa para el establecimiento de

26

plantaciones dendroenergéticas de alta densidad dedicadas a generar la biomasa necesaria para suplir las 4 703,81 ton de biomasa faltante. El esquema propuesto para el ciclo de cultivo energético es el siguiente:

Figura 1. Ciclo de un cultivo dendroenergético.

Fuente: Grupo de investigación en dendroenergía del TEC.

Suponiendo un rendimiento promedio de 45 ton/ha por ciclo productivo, se requerirían 1 254,35 ha de plantaciones dendroenergéticas en el Gran Área Metropolitana para suplir la demanda de 56 445,72 ton de biomasa al año que los residuos de la industria de la madera no lograrían cubrir, teniendo en cuenta que inicialmente habría que esperar aproximadamente 3 años para completar el primer ciclo de cultivo.

Actualmente, el Tecnológico de Costa Rica (TEC) se encuentra evaluando plantaciones forestales piloto con distintas especies y densidades de siembra con el

27

fin de determinar la factibilidad técnica, económica y ambiental del establecimiento de plantaciones dendroenergéticas comerciales en el país. Los resultados del presente estudio apoyan la hipótesis de que, desde una perspectiva de oferta/demanda de biomasa como combustible, el uso de biomasa forestal con fines energéticos constituiría una alternativa económicamente viable y ambientalmente favorable para promover la sustitución de combustibles fósiles en calderas industriales en el mediano plazo.

Conversión de calderas Para que la biomasa llegue a consolidarse como fuente alternativa de energía, uno de los principales retos técnicos a enfrentar es la necesidad de modificar las calderas actuales para que puedan recibir biomasa como combustible. De acuerdo a comunicación personal con el señor Juan Carlos Navarro, técnico de calderas de la empresa Tecnofrica, el costo de conversión para una caldera de tipo C (con presión de trabajo en el rango de 7 bares) para sustituir búnker por biomasa es de aproximadamente $43 000, lo cual incluye diseño de quemador ($17 000), automatización del equipo ($16 000) y mano de obra ($10 000). Estos datos están basados en conversiones reales que Tecnofrica ha realizado en empresas como Abonos del Pacífico S.A. (Abopac).

Es importante notar que el 67% de empresas visitadas mostraron interés en sustituir el uso de combustibles fósiles por biomasa en el corto y mediano plazo, e incluso algunas ya se encuentran explorando esta alternativa de la mano con Pelletics, empresa costarricense dedicada a impulsar el uso de pellets como combustible industrial. Algunas de las empresas más grandes, como el caso de Bridgestone, han optado por la adquisición de una caldera nueva específica para biomasa, pero el costo restrictivo del equipo nuevo (hasta $2 millones) hace que la conversión de calderas sea la opción más viable para la mayoría de empresas. Los pocos casos en los que no se observó interés por realizar una conversión a biomasa fueron principalmente instituciones del Estado en los que el departamento técnico no cuenta con el poder de

28

decisión para impulsar un cambio de este tipo, o empresas que consideran el uso de GLP como una alternativa que se ajusta mejor a sus necesidades actuales.

Conclusiones 

La sustitución de combustibles fósiles por biomasa en las principales calderas industriales dentro del GAM generaría una demanda mensual de biomasa de 6 696,67 ton/mes.



La oferta de biomasa proveniente de desechos de la industria de la madera es de 1 992,86 ton/mes.



El faltante de biomasa de 4 703,81 ton/mes (56 445,72 ton/año) podría ser suplido por el establecimiento de 1 254,35 ha de plantaciones dendroenergéticas, teniendo en cuenta que al inicio habría un tiempo de espera de aproximadamente tres años para completar el primer ciclo de cultivo.



La mayoría de calderas industriales actualmente en uso utilizan búnker o diesel como combustible. Para que puedan utilizar biomasa requieren un proceso de conversión técnica que implica una inversión significativa (alrededor de $40 000 en el caso de una caldera tipo C de 7 bares, una de las más utilizadas en el país).

Esta limitante económica tendrá un efecto directo sobre la adopción de biomasa como combustible.



Los residuos biomásicos tienen el potencial de suplir hasta el 40% de la energía requerida anualmente en el país; su uso es imperativo para que el país reduzca su dependencia a proveedores externos de combustibles fósiles.

29

Recomendaciones 

Los costos de acarreo de biomasa representan el rubro más elevado en la producción de este recurso. Se debe minimizar la distancia entre los centros generadores de biomasa y los consumidores de la misma con el fin de optimizar los costos de producción.



Una estimación más precisa de la cantidad de residuos generados en plantaciones forestales dentro del GAM podría lograrse evaluando datos de plantaciones a nivel de cantón y según especie, lo cual estaba contemplado en los objetivos iniciales de este estudio. Desafortunadamente, las bases de datos de FONAFIFO no cuentan con datos de edad de las plantaciones, lo cual impide conocer con certeza el momento de aprovechamiento de las mismas para calcular la cantidad de residuos generados. Realizar un censo que logre incluir estos datos en los registros de FONAFIFO proporcionaría información muy útil para estudios futuros.



El Ministerio de Trabajo realiza inspecciones periódicas a todas las calderas industriales registradas en el país. Hasta el momento los datos recolectados durante estas visitas no incluyen información acerca del consumo promedio de combustible de la caldera. Si se pudiera incluir este dato en futuras inspecciones, se obtendría información valiosa que ayudaría a calcular la potencial demanda de biomasa como combustible de forma mucho más precisa.



La ejecución de estudios complementarios de costo/beneficio y/o de costos evitados podría generar información adicional que permitiría tener una idea más clara de la viabilidad del uso de biomasa forestal como combustible desde una perspectiva económica.

30

Agradecimientos El autor expresa su agradecimiento a la Dirección de Posgrado del Tecnológico de Costa Rica y al Programa de Becas de Estudiante Asistente de Investigación de Posgrado por el apoyo económico brindado para la ejecución de este estudio. Al proyecto “Impulso tecnológico para la producción, transformación y uso de la biomasa para energía y biomateriales”, código F1-084-13, por el apoyo logístico y estratégico al incluir este proyecto dentro de su línea de investigación. A los profesores investigadores Dagoberto Arias, Diego Camacho y Rooel Campos por su orientación, sugerencias al manuscrito y material bibliográfico recomendado.

Bibliografía Arias, D. (2013). Impulso tecnológico para la producción, transformación y uso de la biomasa para energía y biomateriales a partir de los cultivos forestales lignocelulósicos en el contexto del Mecanismo de Desarrollo Limpio. (Propuesta de proyecto de investigación y desarrollo en áreas prioritarias de ciencia y tecnología).

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Recuperado

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FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations, IT). (1993). Análisis de la contribución forestal a la producción de energía en América Latina – Tomo 1 de 2.

Roma, Italia: Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación. Dirección de Productos Forestales.

McKendry, P. (2002). Energy production from biomass (part 1): overview of biomass.

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31

MINAE (Ministerio de Ambiente y Energía, CR). (2007). Encuesta de oferta y consumo energético nacional a partir de la biomasa en Costa Rica año 2006. San José, Costa Rica: Ministerio de Ambiente y Energía. Dirección Sectorial de Energía.

MINAE (Ministerio de Ambiente y Energía, CR). (2012). Balance energético nacional de Costa Rica 2011. San José, Costa Rica: Ministerio de Ambiente y Energía. Dirección Sectorial de Energía.

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Diagnóstico Sector Energía de Costa Rica. VI Plan Nacional de Energía 2012-2030.

San José, Costa Rica: Ministerio de Ambiente, Energía y Telecomunicaciones.

Dirección Sectorial de Energía.

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Moya, R., Múñoz, F., Salas, C., Berrocal, A., Leandro, L., & Esquivel, E. (2011). Tecnología de madera de plantaciones forestales: Fichas Técnicas. Cartago, Costa Rica: Corporación Garro y Moya.

Pelletics. (2011). ¿Qué son pellets? Recuperado de http://pelletics.com/?page_id=17 Quirós, R., Chinchilla, O., & Gómez, M. (2005). Rendimiento en aserrío y procesamiento primario de madera proveniente de plantaciones forestales. Agronomía Costarricense, 29(2), 7-15.

RECOPE (Refinadora Costarricense de Petróleo, CR). (2011). Manual de Productos 2011.

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SIREFOR (Sistema de Información de Recursos Forestales, CR). (2014). Reporte estadístico forestal 2013. San José, Costa Rica: Sistema Nacional de Áreas de Conservación.

Gerencia de Desarrollo Forestal.

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Concepción, Chile: Universidad de Concepción, Centro de Ciencias Ambientales – EULA.

32

CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES GENERALES 

El creciente interés en sustituir combustibles fósiles por alternativas más baratas, menos contaminantes y más eficientes sugieren una mayor adopción de la biomasa como combustible para calderas industriales en el corto y mediano plazo.



Se recomienda darle seguimiento a este estudio con el fin de aumentar el número de calderas estudiadas y así poder determinar la demanda con mayor precisión. Es importante resaltar que uno de los retos más grandes de esta investigación fue acceder a información interna de las empresas, las cuales en varios casos declinaron participar por razones de privacidad de datos.



El establecimiento de plantaciones forestales dendroenergéticas podría suplir la materia prima requerida, además de aportar beneficios adicionales como la recuperación de suelos degradados y la activación

de

economías

locales

mediante

encadenamiento

productivo. 

Una de las claves para que el modelo económico de generación de biomasa como combustible sea viable, es procurar en el mayor grado posible la cercanía geográfica entre los centros generadores de biomasa y los consumidores de la misma. Esto se debe a que el costo de acarreo de la biomasa es uno de los rubros más significativos de la actividad y podría impactar la rentabilidad de las empresas generadoras de la materia prima.



Para que el uso de biomasa llegue a consolidarse como una alternativa energética, debe existir una integración multisectorial entre los productores, la industria, la academia y el gobierno. El aporte y apoyo de cada uno de estos actores es fundamental para generar la sinergia que conduzca al cambio y logre posicionar este recurso en la matriz energética nacional.

33



El establecimiento de múltiples proveedores de biomasa para cubrir la creciente

demanda

del

combustible

generaría

competencia

a

empresas como Pelletics, lo cual podría tener un efecto de disminución en los precios de los pellets. Mejores precios del combustible aumentaría el interés de las empresas que están considerando realizar la transición a biomasa, lo cual impulsaría aún más el uso de esta alternativa. 

Costa Rica ha manifestado internacionalmente su intención de ser el primer país carbono neutral para el año 2021, y la sustitución de combustibles fósiles por biomasa es una iniciativa que podría contribuir de forma significativa al cumplimiento de esta meta.

34

ANEXOS Anexo 1. Encuesta aplicada a industrias con calderas para determinar consumo de combustible y evaluar potencial demanda de biomasa.

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA FORESTAL Diagnóstico del consumo, procedencia y potencial demanda de material bioenergético en el Gran Área Metropolitana La presente encuesta forma parte del proyecto de investigación “Dendroenergía: plantaciones forestales hacia la producción de biomasa para múltiples propósitos” del Instituto Tecnológico de Costa Rica. Mediante esta encuesta se pretende realizar un diagnóstico del uso actual y procedencia del material bioenergético utilizado en el Gran Área Metropolitana, además de proyectar la demanda y producción futura de este recurso.

Nº Encuesta: __________

Encuesta a industrias consumidoras o potenciales consumidoras de material bioenergético en el Gran Área Metropolitana

Tipo de encuesta:

Fecha:

/

/ 2014

Hora:

Permiso para tomar fotografías de las instalaciones / patios: SI_____ NO ______ N.A. ______

1. Datos generales Nombre de la Industria:

Coordenadas

Nombre del dueño / Razón social:

Teléfono:

X

Y

Nombre del entrevistado: Puesto:

Dirección:

Email: Provincia:

Cantón:

Experiencia: años Distrito:

Crianza animal

Otro: Especifique

Otras señas:

Sector al que pertenece la industria Beneficio Vegetales Operaciones de la industria:

Ingenio Alimentos envasados

Lácteos

Destace animal Anual

Temporal (Indique meses):

2. Demanda de calor del proceso industrial En cuales procesos industriales se usa la energía térmica:

1

2

3

4

5

Requerimientos térmicos para cada proceso indicado:

1

2

3

4

5

35

(kJ, kcal ó BTU)

3. Equipos de generación térmica y consumo de combustibles Tipo de equipo y marca

ID / # de serie

Tipo combus tible

Unidad es

Consumo

Presión de trabajo (bar)

Notas

En caso de utilizar bunker, se podría trabajar con biomasa? Explique/opine.

4. Experiencias y proyectos con biomasa y energía de residuos en la planta Procedencia

Tipo

Volume n

Costos (incluir acarreo)

Año

Observaciones

5. Residuos generados en el proceso productivo Que tipo de residuos se generan en la industria?

Cuáles son reutilizados como fuente de energía o en otro proceso productivo?

6. Procesos de preparación y ajustes requeridos para utilizar bioenergía en la industria Conoce sobre tecnologías para el uso energético de la biomasa?

Cuáles tecnologías le serían de utilidad en su industria y para qué procesos?

Cuáles cambios necesitaría realizar en su industria para utilizar la biomasa como combustible?

7. Barreras existentes para la utilización de Biomasa como combustible Indique los principales aspectos que han limitado el aprovechamiento de los residuos de su industria (si aplica): 1

2

3

Otros: Indique los principales aspectos que han limitado el aprovechamiento de bioenergía externa: 1 2

3

Otros: La industria estaría dispuesta a utilizar fuentes de energía alternas a la electricidad y combustibles fósiles?

SI ______

NO _____

Por qué? ___________________________________________

8. Proyección del consumo de combustibles Cómo se ve su negocio en (%) 2 años?

Tendencias de abastecimiento de combustible Notas

36

5 años?

Notas

10 años?

Notas

9. Disponibilidad de la industria a consumir biomasa proveniente de plantaciones forestales energéticas Estaría la industria dispuesta a comprar/producir materias primas de plantaciones forestales bioenergéticas garantizando así una economía con uso de combustibles alternativos?

NO _______

SI ______ Explique:

Nombre del encuestador:

Firma:

PARA USO INTERNO Valoración de la entrevista:

Interés y cooperación del encuestado

(1= muy mala --> 5=excelente) Si utiliza biomasa como combustible indique: Tipo de biomasa: Poder calórico: % de humedad: Tipo de transporte: Otras observaciones:

Calidad de la información brindada