CINCO PROYECTOS PARA CAMBIARLE LA CARA AL MUNDO

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Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo Premio Odebrecht 2013 Primera edición: junio de 2014 Tiraje: 300 ejemplares

AUTORES Alumnos

Álvarez Cueva, Jessica Casique Bojórquez, Héctor Landauro Villanueva, Heber Loayza León, Silvana Macharé Gutiérrez, María Neyra Córdova, Cristina Paredes García, Hosman Rodríguez Moreno, Fredy Rojas Bismarck, Jean Pool Vinces Guillén, Rolando Zevallos Godínez, Rodrigo Asesores

Arangurí Cayetano, Denis Flores García, Luis Narváez Aranda, Ricardo Poggi Dávila, Johanna Vásquez Baca, Urphy © los autores, 2014 © Odebrecht Perú, 2014 Dirección: Víctor Andrés Belaunde 280, piso 7, San Isidro - Lima Teléfono: 217-2800 Correo electrónico: contacto_peru@odebrecht.com Web: www.odebrecht.com.pe Edición, diseño y diagramación: Interactiva Studio Impresión: Interactiva Studio Derechos reservados. Prohibida la reproducción de este documento por cualquier medio, total o parcialmente, sin permiso expreso de los editores. Hecho el Depósito Legal en la Biblioteca Nacional del Perú N.o 2014-07471 Impreso en el Perú - Printed in Peru El papel utilizado para la impresión de este libro es ciento por ciento libre de cloro y está calificado como papel ecológico.

PREMIO ODEBRECHT 2013

JURADO INTERNO Alencar Cardoso, Ione Gerente Administrativo, socio ambiental y seguridad de Odebrecht Latinvest

Ballón Nuñez, Jorge Gerente de obra del Proyecto Muelle Minerales

Barrios Rivas, Luis Responsable del área de Medio Ambiente del Proyecto de Irrigación Chavimochic

Benavides Fallaque, Jannet Gerente de RSE de APP’s Carreteras Nacionales y Regionales Perú de Odebrecht Latinvest

Carrillo Vásquez, Lorena Gerente de Sostenibilidad Empresa de Generación Huallaga

De Las Casas Solf, Juan Luis Gerente de obra del Proyecto de Matarani

Donayre Córdova, Sonia RP de Relaciones Institucionales y Comunicaciones

Gonzales Solórzano, Jhon RP de Planeamiento del Proyecto de Irrigación Chavimochic

Mayuri Gallo, Daniel Gerente de Sostenibilidad de Concesionaria Trasvase Olmos y H2Olmos

Medina Lam, Marita RP de Personas y Organización de Odebrecht Latinvest

Oliveira Silva, Marcos Gerente de Medio Ambiente de Odebrecht Latinvest

Perales Neyra, Alberto RP de Administración de Odebrecht Infraestructura

JURADO EXTERNO Calderón Taramona, Daniel Representante de la Gerencia de Desarollo de COFIDE

Giudice Granados, Renzo Responsable de Monitoreo, Reporte y Verificación del Proyecto REDD+ MINAM

Valdivia Acurio, Sandra Jefa Emprendimiento de IPAE Acción Empresarial

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PREMIO ODEBRECHT 2013

PRÓLOGO Producir y desarrollar negocios de forma equilibrada y responsable supone tomar decisiones inmediatas con una visión de futuro, respetando a la naturaleza, a la sociedad y a la vida. La sostenibilidad tiene por principios valorar y mejorar las condiciones de vida de las personas, reducir los impactos ambientales, controlar los peligros y riesgos de los procesos y usar tecnologías, materiales e insumos que reduzcan el consumo de recursos naturales, especialmente los no renovables. En Odebrecht, el compromiso con el desarrollo sostenible está presente desde la propia génesis de nuestra cultura y compartimos esa visión con el mundo a través de programas como el Premio Odebrecht para el Desarrollo Sostenible. Este premio se entrega en nueve países de Latinoamérica y también en Angola (África). En el Perú se desarrolla desde el 2009, y está dirigido a todos los estudiantes de Ingeniería y Arquitectura que buscan contribuir con soluciones innovadoras que generen cambios positivos en el medio ambiente y en la calidad de vida de las personas. A través de él, promovemos la innovación y destacamos la importancia de la ingeniería y la arquitectura en el desarrollo sostenible. Con gran satisfacción presentamos este libro que compila los cinco mejores proyectos de los ciento cuatro recibidos en esta cuarta edición en Perú. Saludamos y felicitamos a todos los jóvenes y docentes que han participado. Asimismo, agradecemos a todos los miembros del jurado por su colaboración. En Odebrecht entendemos que el desarrollo sostenible es el resultado del trabajo y compromiso de todos. En este sentido, a través del Premio Odebrecht, los llamamos a contribuir con este objetivo.

Álvaro Carvalho Director de Responsabilidad Socio Ambiental Odebrecht Perú

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CONTENIDO

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PROYECTOS GANADORES

Yaku Inti Wasi: diseño integrado de tecnologías en energías renovables y recursos naturales para el funcionamiento de una vivienda rural ecológica en zonas altoandinas del Perú Jessica Álvarez Cueva Silvana Loayza León Asesora: Urphy Vásquez Baca

Implementación de un sistema de calefacción solar en Huaytorco (Cajamarca) Heber Landauro Villanueva Jean Pool Rojas Bismarck Héctor Casique Bojórquez Asesor: Denis Arangurí Cayetano

PREMIO ODEBRECHT 2013

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MENCIONES HONROSAS

Aprovechamiento sostenible de los residuos forestales para la producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada Rolando Vinces Guillén Asesora: Johanna Poggi Daváila

100

El sistema integrado cociterma y el uso de energía con emisión cero de gases María Macharé Gutiérrez Rodrigo Zevallos Godínez Cristina Neyra Córdova Asesor: Luis Flores García

166

Implementación de un pozo frigotérmico basado en el efecto Seebeck como sistema alternativo de iluminación pública en Cachicadán (La Libertad) Fredy Rodríguez Moreno Hosman Paredes García Asesor: Ricardo Narváez Aranda

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YAKU INTI WASI: DISEÑO INTEGRADO DE TECNOLOGÍAS EN ENERGÍAS RENOVABLES Y RECURSOS NATURALES PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UNA VIVIENDA RURAL ECOLÓGICA EN ZONAS ALTOANDINAS DEL PERÚ

ALUMNAS

Jessica Álvarez Cueva Silvana Loayza León

ASESORA

Urphy Vásquez Baca Pontificia Universidad Católica del Perú

PREMIO ODEBRECHT 2013

1. INTRODUCCIÓN

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// La incidencia de heladas en las zonas rurales altoandinas del Perú afecta principalmente a los departamentos de Puno, Cusco, Apurímac, Ayacucho, Huancavelica, Moquegua y Tacna con temperaturas que pueden llegar hasta -25 °C, generando daños irreparables en personas, animales, cultivos y viviendas comprometiendo la seguridad alimentaria, salubridad y la economía de este sector de la población. Este evento se ve intensificado como consecuencia directa del cambio climático. El presente proyecto de investigación aplicada y desarrollo tecnológico está propuesto para zonas altoandinas ubicadas a más de 3500 metros sobre el nivel del mar; sin embargo, se ha tomado como referente las variables reales del distrito de Macusani, ubicado al sur de la provincia de Carabaya, en el departamento de Puno, a una altitud de 4315 metros sobre el nivel del mar. El clima es frío y seco, con una temperatura mínima promedio de 1,5 °C y máxima de 6,0 °C; durante la incidencia de heladas la temperatura puede alcanzar niveles bajo 0 °C. La precipitación pluvial promedio es de 726 mm y se presenta en época de verano, entre enero y marzo. Según el Ministerio de Energía y Minas (2003), la incidencia máxima de energía solar está entre 6,5 y 7,0 kWh/m2, lo cual constituye un gran potencial solar para la implementación del proyecto. Debido al clima y altura en que se encuentra Macusani, la actividad predominante es la crianza de camélidos

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Los sistemas y métodos constructivos que se integran en una vivienda rural ecológica se plantean para favorecer el método «Aprender haciendo», lo cual permitirá que el modelo de vivienda sea fácil de replicar por los pobladores de Macusani. americanos a través de la existencia de pastos naturales y también cultivados. La población vulnerable de la zona se sitúa en los asentamientos rurales dispersos que carecen de sistemas de confort térmico en las viviendas; están expuestos al frío durante todo el año y no tienen acceso a los servicios básicos de transporte y saneamiento. Esta situación es crítica en los períodos de heladas, donde las bajas temperaturas causan daños humanos, animales y materiales. El proyecto consiste en un diseño arquitectónico ecológico y bioclimático integrado que incide directamente en los sectores de vivienda, agua y energía mediante la aplicación de tecnologías multifuncionales sobre la base de energías renovables (solar térmica, fotovoltaica y

biomasa), el uso eficiente de los recursos naturales del lugar y la aplicación de sistemas tradicionales de construcción en adobe y madera, capaz de responder a los problemas sociales y económicos originados por las heladas (enfermedades broncorespiratorias y muerte de animales de producción). Este proyecto representa una alternativa de solución a los problemas de la vivienda rural precaria y satisface a la vez la demanda de energía útil en energía térmica y eléctrica, así como el acceso a agua segura.

cocción, y el calor residual es aprovechado para el calentamiento de agua (terma). Adicionalmente, se aprovecha el calor generado por la termococina para abastecer un segundo sistema de piso radiante para completar el confort térmico en toda la vivienda. Se aplica la tecnología de la energía solar fotovoltaica para la recirculación del agua por los sistemas de piso radiante hacia los tanques colectores de agua y se aprovecha el excedente de energía eléctrica para la dotación de iluminación a la vivienda.

El diseño bioclimático y ecológico integrado aprovecha la recolección de aguas pluviales y el potencial del recurso solar de la zona para abastecer a la vivienda rural de agua segura y caliente para el uso doméstico en ducha y cocina. Asimismo, se desarrolla un sistema de confort térmico mediante el método de piso radiante en una parte de la vivienda. Esto se hace con fines domésticos y productivos, ya que la vivienda incluye un área productiva para la crianza de cuyes, y el calor favorece la reproducción de estos animales.

Este diseño bioclimático y ecológico integrado se desarrolla sobre la base de los sistemas constructivos tradicionales, revalorando las cualidades térmicas del adobe, aprovechando el uso de materiales naturales existentes en el lugar como la madera rolliza para los techos y las propiedades de aislamiento térmico naturales de la paja y la lana de oveja, así como las propiedades impermeabilizantes del mucílago de cactus para la protección de los muros de adobe (véase la Figura 1).

Por otra parte, se implementa la instalación de una termococina mejorada a bosta que facilita la eliminación de humos, brinda mayor eficiencia energética para la

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FIGURA 1 Modelo de vivienda ecológica en Macusani, Puno

Elaboración propia

Los sistemas y métodos constructivos que se integran en la vivienda se plantean para favorecer el método «Aprender haciendo», lo cual permitirá que el modelo de vivienda sea fácil de replicar por los pobladores de la zona. Este método de participación colectiva se presenta como una herramienta para la capacitación de la población en lo referido al desarrollo de tecnologías limpias y en

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la construcción antisísmica mediante el adecuado uso del sistema constructivo del adobe con sistemas de acondicionamiento ambiental, con lo cual se reforzará la identidad cultural de la población a través de la revalorización de las técnicas constructivas tradicionales y los materiales naturales de su localidad integrados en una vivienda digna a la cual todo ciudadano tiene derecho.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 2.1. DISEÑO BIOCLIMÁTICO Y DESARROLLO TECNOLÓGICO José Antonio Turégano y otros (2009) afirman que el concepto de diseño bioclimático se encuentra fuertemente ligado al desarrollo tecnológico. Surge en torno a normas sociales implícitas que establecen que tanto la arquitectura como el urbanismo deben aportar a los usuarios la posibilidad de aprovechar al máximo los beneficios de su entorno mediante el diseño arquitectónico y el uso de las tecnologías disponibles, pero estos van cambiando y evolucionando. Por ejemplo, el derecho al Sol del ser humano, la necesidad de calor, la luz y las ventajas que esto implica se traduce primero en un conjunto de normas simples, entre ellas el que los edificios no proyecten sombras entre sí y que los vanos reciban radiación e iluminación suficientes para hacer del espacio un lugar placentero. Esto, a la vez, se traduce en el dimensionamiento de vanos, elementos de sombra y materialidad adecuada para ello, en una escala de edificio único, y en orientación volumétrica y regulación de alturas en una escala urbana (Turégano y otros 2009). La percepción y aplicación de estos conceptos va cambiando radicalmente con el paso del tiempo y de acuerdo con el lugar donde se implementan, pues las condiciones climáticas, las necesidades y los desafíos son muy diferentes. El diseño y funcionamiento de una arquitectura que cumpla con lo

anterior supone un uso de energía y recursos, que puede o no ser eficiente y responsable. La evolución eficiente de estas normas básicas en cuanto a la adaptación a las condiciones ambientales, y específicamente de la energía que se usa para lograrlo, es lo que define el diseño bioclimático (Turégano y otros 2009). Actualmente se implementa el diseño bioclimático en la arquitectura para reducir impactos ambientales, aprovechar los recursos disponibles al máximo, y reducir el uso de energía que suponen las instalaciones y sistemas auxiliares en los edificios. Todo esto implica primero una comprensión del contexto, la necesidad de sol o sombra, la protección del viento y otros elementos naturales, así como la densidad y normativa urbana o cualquier otra forma de relacionarse con el entorno. También se refiere a una reflexión sobre el uso del material, su ciclo de vida y la posibilidad de reciclaje en la construcción. De forma similar, se intenta reducir la necesidad de calefacción y refrigeración artificial mediante criterios de diseño y una implementación del material adecuada (Turégano y otros 2009). En términos generales, el diseño bioclimático resuelve de forma integral las necesidades del edificio y el usuario, teniendo en consideración el consumo de energía y la administración responsable de los recursos

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naturales para lograr una arquitectura adecuada para el lugar y sostenible. La necesidad de entender y aplicar este concepto se hace cada vez más urgente, pues la cantidad de problemas a escala global va aumentando y la respuesta a estos se complejiza aún más. Las situaciones más críticas son el agotamiento de los recursos naturales y energéticos, el cambio climático y la pérdida de biodiversidad. La industria de la construcción y, por lo tanto, la arquitectura son responsables de gran parte de estos problemas. El diseño bioclimático trata de alcanzar un balance mediante el desarrollo sostenible y la implementación de nuevas tecnologías, reduciendo la energía total necesaria en el proceso arquitectónico y adecuándose de la forma más eficiente al lugar (Turégano y otros 2009). 2.2. ARQUITECTURA Y ECOLOGÍA Según Ken Yeang (2009), los problemas ambientales se pueden definir como los cambios de las condiciones de los ecosistemas y recursos de la Tierra inducidos por la actividad humana. La arquitectura ecológica debe intentar disminuir los impactos negativos sobre el medio ambiente, propiciando su protección y conservación. Las interacciones de la arquitectura y su medio ambiente deben evaluar sistemáticamente el tipo de materiales, la cantidad de energía incorporada para la construcción, el control de contaminación (la forma en que estos productos se descargan al entorno), los recursos de la Tierra que se consumen y se agotan, los procesos internos de la relación espacial directa con el ecosistema y la respuesta del ecosistema a estas interacciones.

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Un planteamiento ecológico adecuado debe seguir las siguientes premisas: El mantenimiento de un entorno ecológicamente viable, ya que es algo ventajoso para toda la población. El actual estado de degradación progresiva del entorno por la intervención humana es totalmente inaceptable. Es necesario disminuir en la medida de lo posible los impactos destructivos del ser humano sobre los ecosistemas. La arquitectura aplicada a la ecología se refiere a la posibilidad de incluir una manifestación física y simbólica del impacto ambiental del proyecto dentro de la arquitectura convencional, la cual no debe limitarse a satisfacer únicamente los aspectos espaciales, funcionales y estéticos (Yeang 1999). El proyecto principal consta de tres partes: análisis, síntesis y evaluación (Markus citado por Yeang 1999). En primer lugar, el análisis se entiende como la definición del programa del edificio dentro de la formulación del impacto ecológico (Yeang 1999). En otras palabras, en el análisis, el proyecto se desarrolla en términos de la organización de las necesidades y requerimientos del usuario expuestos en grados de confort ambiental y espacial (a menor grado de requerimientos, menor impacto ambiental), disposición de espacios en la edificación y su forma física teniendo en cuenta todas las fases del ciclo de vida de los materiales de construcción (producción, construcción, mantenimiento y recuperación), el modelo de los sistemas de servicios teniendo en cuenta que la Tierra no es una fuente de recursos y vertedero ilimitado (el modelo actual funciona como un proceso unidireccional de renovación), los factores tecnológicos (costos y limitaciones técnicas) y los factores ambientales como el

entorno inmediato y sus cualidades físicas, climáticas y estéticas donde se genere un entendimiento de las características del ecosistema (Martin citado por Yeang 1999). En segundo lugar, en la síntesis se produce la solución del proyecto, es decir, la intervención de la acción creativa frente a la gama de posibilidades sintetizadas en forma física. Las decisiones que cada proyectista tome estarán directamente relacionadas con el nivel de impacto ambiental de la edificación (Yeang 1999). Por último, la evaluación consiste en establecer el rendimiento de una solución de proyecto. Para realizar este proceso, se describen tres pasos básicos: la representación como la forma adecuada a la solución, la medición como la determinación del rendimiento y la valoración como la estimación de los resultados medidos (Yeang 1999). Esta evaluación permite cuantificar el alcance de los impactos sobre los ecosistemas de la Tierra provocados por el proyecto, cuya realización debe buscar la reducción de dichos impactos y establecer una relación estable con el ecosistema (Dyson; Girardet; World Resources Intitute, citados por Yeang 1999). Entonces, según Ken Yeang (1999), el proyecto ecológico debe buscar relacionar las actividades humanas con los ecosistemas de la forma menos destructiva posible, entendiendo que los recursos son finitos y que la capacidad de la Tierra para contener desechos no es ilimitada. Para lograr una arquitectura sostenible, un edificio debe diseñarse y construirse con el objetivo de hacer un uso eficiente, racional y apropiado de los recursos naturales y culturales del lugar de emplazamiento para minimizar el impacto ambiental en el contexto (Garzón 2010). No se busca evitar todos los cambios en el ecosistema,

ya que sin la interacción humana también se producen cambios, pero nada impide que el proyecto pueda generar un impacto ecológico positivo dentro del medio ambiente (Yeang 1999).

2.3. CONCEPTOS BÁSICOS DE TECNOLOGÍAS EN ENERGÍAS RENOVABLES

a) Energías renovables Las fuentes de energías renovables son aquellas que, como su mismo nombre lo indica, pueden regenerarse naturalmente al ser utilizadas por el hombre; es decir, si una energía es renovable, entonces es ilimitada. Dentro de estas se encuentran la energía eólica, hidráulica, solar, biomasa, geotermia y la mareomotriz (Canziani 2012). Una de las cualidades de la utilización de este tipo de energía es que al lograr articular un sistema con tecnologías limpias se puede brindar la mayor cantidad de servicios según el clima del lugar, con el funcionamiento de los mismos elementos para suplir diferentes necesidades.

b) Proceso SODIS En los lugares donde no hay un sistema de saneamiento y se consume agua cruda y contaminada microbiológicamente, la desinfección solar del agua (SODIS) es un método simple, de bajo costo y sustentable para el tratamiento del agua para consumo y uso doméstico (Meierhofer y Wegelin 2003). Este proceso funciona mediante el uso de la energía solar para destruir los microorganismos patógenos, evitando así la transmisión de enfermedades y mejorando

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la calidad del agua para el consumo humano debido a que estos son vulnerables a la exposición a temperaturas elevadas y a la luz UV-A. SODIS es un método eficiente para desinfectar pequeñas cantidades de agua con baja turbiedad. Se llenan botellas de plástico con agua contaminada y se exponen a la luz solar durante un período de seis horas, pero cuando la temperatura del agua supera los 50 °C es suficiente con una hora de exposición (Meierhofer y Wegelin 2003). La eficiencia de SODIS se puede mejorar por medio del uso de una superficie reflectante como calaminas metálicas.

c) Terma solar La terma solar es un equipo que funciona basándose en energía solar para calentar agua. El agua caliente obtenida de este sistema se puede emplear para uso doméstico. Al tener una terma solar, se ahorra dinero al no utilizar electricidad, gas o leña para el calentamiento del agua como se hace con una terma convencional. El costo de una terma varía según los materiales con los que se construye y la cantidad de agua que es capaz de calentar. En las zonas altoandinas del Perú, el Sol tiene la capacidad de calentar el agua hasta una temperatura de 80 °C (Vásquez 2013). El equipo consiste en dos partes: un tanque de agua con aislamiento térmico que funciona almacenando el agua y manteniendo su temperatura, y un colector solar. El colector solar está compuesto por una rejilla de tubos instalados sobre una plancha metálica pintada de negro, ambas colocadas dentro de una caja de madera correctamente aislada. La terma solar funciona por el movimiento de las moléculas del agua debido al cambio

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de densidad que se produce al calentar el agua. Esta ingresa a la terma solar y pasa hasta el colector donde es calentada por la energía solar. Este cambio de temperatura significa cambio de densidades donde el agua caliente es más ligera que el agua fría. De esta manera, el agua fría se sitúa debajo del agua caliente y permita que esta pueda regresar al tanque (Vásquez 2013).

d) Sistema fotovoltaico Los paneles fotovoltaicos funcionan generando energía eléctrica a través de celdas solares compuestas por láminas de silicio cristalino que transforman la energía solar mediante el efecto fotovoltaico (Vásquez 2013). La energía eléctrica obtenida puede almacenarse en baterías para ser utilizada en cualquier momento del día en diferentes aparatos que necesiten esta energía para funcionar. El costo de los paneles fotovoltaicos es mayor al costo de la energía eléctrica de la red pública. La pertinencia del uso de este sistema se evalúa según diferentes factores que incluyen cantidad de energía, tiempo y dinero. La inversión inicial en la instalación de estos sistemas se puede recuperar al cabo de un tiempo (Vásquez 2013). Vásquez (2013) sostiene que en el sector rural, debido a la accidentada geografía del país y a la ubicación dispersa de las viviendas, es de especial importancia el uso de los paneles fotovoltaicos porque es muy difícil y costoso transportar la red pública de energía eléctrica de manera convencional hacia este sector de la población. Los paneles fotovoltaicos se instalan de manera individual e independiente en cada vivienda. De esta forma, se pueden electrificar casas, campamentos mineros, sistemas de telecomunicaciones, postas médicas y escuelas.

e) Termococina mejorada a bosta

f) Piso radiante

Es un sistema mejorado de cocción de alimentos a partir del aprovechamiento de la energía térmica producida por el uso de bosta a través de una cavidad destinada para este fin. Su diseño permite la extracción de humo hacia el exterior de la vivienda por medio de una chimenea de expulsión. De esta forma, se contribuye a eliminar la contaminación intradomiciliaria que producen las cocinas tradicionales (Vásquez 2013).

Se trata de un sistema de calefacción que transporta agua caliente a través de un conducto oculto bajo el suelo. Se realiza un intercambio de calor entre agua y mortero por convección y conducción; luego entre mortero y ambiente interior, por convección y radiación (Olivera 2011).

La termococina posee una cámara incorporada que permite el calentamiento del agua aprovechando el calor producido por la cocción. Esta cámara está conectada a un tanque con aislamiento térmico desde el cual sale el agua fría hacia la cámara y regresa agua caliente por medio del cambio de densidades entre el agua fría y el agua caliente (Vásquez 2013).

Sobre la base de estos conceptos se propone una metodología de investigación aplicada orientada hacia el desarrollo de un producto innovador en torno al diseño, la construcción y la validación de un modelo de vivienda sustentable que funciona con energías renovables a través de un diseño bioclimático y materiales de la zona con el objetivo de generar calor orientado al confort térmico y a la producción de cuyes, así como al acceso de agua segura, calentamiento de agua y electrificación. El producto final va a ser una innovación tecnológica con temática de vivienda sostenible.

3. PROBLEMÁTICA

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Macusani es un distrito que, por su ubicación geográfica, sufre las consecuencias de las heladas. Esto sucede durante los meses de invierno comprendidos entre mayo y septiembre (INDECI 2010). Este es un fenómeno atmosférico que consiste en el descenso de temperatura bajo el umbral de 0 °C, el cual hace que el agua se congele y se deposite en las superficies. También sucede cuando la humedad atmosférica supera el 60 %, lo cual posibilita la acumulación de agua ambiental.

La mayor parte de viviendas están construidas con adobe; sin embargo, las propiedades de inercia térmica, para mantener el calor, que posee este material no se aprovechan adecuadamente, ya que el calor se pierde por otras superficies conformadas por los vanos de puertas y ventanas o techos que se componen básicamente de madera, calamina y plástico. Pero, incluso la aplicación misma de la técnica constructiva no se realiza adecuadamente, por lo que proliferan las viviendas precarias, vulnerables a los sismos.

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La composición espacial típica de la vivienda rural se caracteriza por un espacio polifuncional donde se ubica la cocina, la crianza de cuyes y el dormitorio para los integrantes de la familia. En algunos casos se divide el espacio para dormir con el espacio de estar y cocinar.

No se cuenta con servicios básicos de agua y saneamiento; el acceso al recurso hídrico es limitado y muchas veces está contaminado. Por otro lado, si se tiene acceso a un canal de agua, esta llega a muy bajas temperaturas, lo cual dificulta la higiene familiar y el mantenimiento de la buena salud.

En las zonas rurales altoandinas proliferan las infecciones respiratorias agudas por exposición prolongada a las bajas temperaturas. Ello afecta, principalmente, a las poblaciones más vulnerables, como niños y ancianos, ya que no se cuenta con viviendas adecuadas a las condiciones climáticas. Esta situación empeora por la presencia de las cocinas a leña o bosta que están mal construidas y que tienen un inadecuado sistema de eliminación de humos, los que invaden la vivienda.

El área geográfica estudiada se ubica a más de 3500 metros sobre el nivel del mar. Esto dificulta el acceso a la red eléctrica y significa una desventaja significativa tanto para realizar las labores domésticas nocturnas como para el estudio de los escolares durante la noche, quienes se ven obligados a recortar sus horas de estudio.

4. METODOLOGÍA Y HERRAMIENTAS

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// La metodología del proyecto se basa en la investigación aplicada, el desarrollo y la innovación de un modelo de vivienda sustentable que se validará de acuerdo con una metodología que implica las siguientes cuatro etapas: Visitas de inspección, trabajo de campo y levantamiento de información de las comunidades del distrito de Macusani, provincia de Melgar, departamento de Puno. Diseño y elaboración de expediente técnico de la vivienda y tecnologías a partir del trabajo de gabinete donde se procesarán los datos obtenidos en el trabajo de campo.

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Construcción de la vivienda y tecnologías con la participación colectiva de los pobladores de Macusani como una herramienta de capacitación y de fácil replica del modelo. Pruebas de funcionamiento de los sistemas de acondicionamiento ambiental y de las tecnologías apropiadas. Validación del diseño unitario integrado y de las tecnologías apropiadas.

5. SOLUCIONES PROPUESTAS

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 5.1. Diseño arquitectónico y sistema constructivo Se propone un modelo de vivienda productiva básica cuyo diseño formal y espacial está compuesto por un sistema de construcción tradicional en el cual se utilizan materiales del lugar con baja energía incorporada para generar confort térmico dentro de la vivienda. Además, el diseño de la propuesta está condicionado por la incorporación de tres tecnologías en energías renovables (energía solar térmica, energía solar fotovoltaica y biomasa), aprovechando la recolección del recurso natural de las aguas de lluvias para alimentar el sistema solar térmico (terma solar) para generar confort térmico y agua caliente, accesibilidad a agua segura y electrificación. La vivienda productiva incluye cinco ambientes integrados en un diseño unitario: el ambiente social está caracterizado por ser un espacio multifuncional donde se realiza la preparación de los alimentos para la familia, el estudio de los escolares, reuniones y otras actividades de carácter social. Este espacio está directamente relacionado con el segundo ambiente que viene a ser el área productiva de la vivienda y que consiste en una cuyera. El tercer ambiente está compuesto por la habitación familiar. El cuarto ambiente se ha destinado para ser una ducha con agua caliente que se

encuentra a 45 centímetros por debajo del nivel natural del suelo, a la cual se accede desde el exterior debido a que responde a condiciones específicas (impermeabilización y drenaje) que difieren de las condiciones ambientales al interior de la vivienda. El quinto ambiente es el depósito general de la vivienda productiva, al mismo nivel de la ducha (véase la Figura 2). FIGURA 2 Planta de vivienda modelo

DUCHA NPT. -0.45

DORMITORIO NPT. 0.00

AMBIENTE SOCIAL NPT. 0.00

NPT. -0.45 DEPÓSITO NPT. -0.45

CUYERA NPT. 0.00

NPT. 0.00

Elaboración propia

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La decisión de integrar la cuyera a la casa responde al hecho de que el calor de la vivienda favorece la reproducción de este animal doméstico. De esta manera, la vivienda se convierte en una alternativa para mejorar la situación económica de la familia, además de incorporar una fuente de proteínas en la dieta familiar necesaria para afrontar el frío en las zonas altoandinas (véase la Figura 3). FIGURA 3 Corte de la ducha y el dormitorio

NPT. 0.00

DUCHA NPT. -0.45

HABITACIÓN FAMILIAR NPT. 0.00

Elaboración propia

La ventilación natural de la vivienda se ha planteado por medio de ventilación cruzada a través de dos vanos de 60 x 70 cm que se puede realizar en las horas del día con mayor temperatura. La vivienda aplica el sistema constructivo tradicional de adobe de acuerdo con la norma E-080 del Reglamento Nacional de Edificaciones (2013), muros de adobe de 40 cm de espesor con adobes de 40 x 20 x 10 cm que alcanzan una altura máxima de 2,70 m, constituyendo así una construcción sismorresistente reforzada con varillas de caña cada 60 cm. Para disminuir la pérdida de calor desde el interior de la vivienda, se plantea un enlucido sobre la superficie exterior de los muros de adobe, de 5 cm de

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espesor, elaborado sobre la base de barro, mucílago de cactus y lana de oveja. Estos últimos cuentan con propiedades como la impermeabilidad y el aislamiento térmico, respectivamente. Ambos son recursos naturales que abundan en la zona (véase la Figura 4). El piso de la vivienda consiste en varias capas: una inferior de tierra compactada, otra de arena compactada, una capa de grava sobre la cual se van a colocar piedras de tal modo que permita la distribución del sistema de piso radiante, que consiste en una manguera dispuesta en el piso a modo de serpentín, con una separación entre líneas de 15 cm. Se cubre el serpentín con una mezcla de tierra compactada con mucílago de cactus.

FIGURA 4 Sistema constructivo vivienda modelo

Cobertura de estera, listones de madera, calamina y paja

Techo de la ducha y depósito compuesto por una terma solar y un panel fotovoltáico

Tijerales de madera rolliza de eucalipto Termococina mejorada

Viga collar Estructura de pies derechos de madera rolliza de eucalipto

Ventana de madera y vidrio, y cerramiento con capa de aislamiento térmico de lana de oveja Muros de adobe de 40 cm de espesor con enulcido de barro, mucílago de cactus y barro

Muros de calamina con aislamiento térmico interior de lana de oveja

Sistema de piso radiante

Puerta batiente de una hoja con aislamiento térmico de lana de oveja

Cimiento y sobrecimiento de concreto ciclópeo

Elaboración propia

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Se plantea un techo de varias capas que asegura un buen aislamiento térmico. Sobre los tijerales de madera rolliza de eucalipto se dispone una capa de estera (material tradicional que cuenta con propiedades de aislamiento térmico) sujeta con listones de madera que además sirven de apoyo a la siguiente capa de calamina, que protege la vivienda de posibles filtraciones de agua. Sobre esta se colocan dos capas de paja, una de trigo y la última de ichu, que facilitan el deslizamiento de las aguas de lluvia (véase la Figura 5). FIGURA 5 Detalle constructivo muro de adobe

Para el depósito y la ducha se plantea una estructura basada en el sistema de poste y vigas de madera rolliza, adosados a los muros de adobe, el cerramiento de estos espacios consiste en tabiques herméticos compuestos por dos calaminas que contienen relleno de lana de oveja como aislante térmico. Las calaminas protegen los muros de adobe de la erosión del agua, cubriendo una superficie del muro de 2 m de altura. Los techos de estos espacios están conformados por el colector solar tipo serpentín y los paneles fotovoltaicos que, a su vez, cuentan con un sistema de aislamiento térmico (véase la Figura 6).

Paja de ichu Calamina Listones de madera Estera Viga de madera rolliza

Viga collar Canaleta Refuerzo estructural de caña Adobe

Ventana batiente doble hoja de vidrio Vacío central para aislamiento térmico

INTERIOR Enlucido de barro y yeso

Ventana batiente doble hoja panel de madera, lana de oveja y esfera

Enlucido de barro con mucílago de cactus y lana de oveja EXTERIOR

Junta de tierra y mucílago de cactus Manguera piso radiante

Cimiento y sobrecimiento de piedra

Grava Arena compactada Tierra compactada

Elaboración propia

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Tierra compactada

Piedra tipo laja

Para el adecuado drenaje de la ducha se plantea un piso compuesto por varias capas: sobre una base de tierra compactada, se coloca una capa de arena compactada; sobre ella, una capa de grava y otra de piedra; finalmente, se colocan listones de madera de 2 pulgadas de ancho con una separación de 5 cm entre ellos para la comodidad del usuario.

5.2. Diseño arquitectónico y sistemas tecnológicos sustentables

FIGURA 6 Detalle constructivo muro de ducha y depósito

Panel fotovoltaico Colector solar Panel de madera con aislamiento de lana de oveja

Viga de madera rolliza

Lana de oveja Calamina

Listones de madera 1” x 2” Grava Arena compactada Tierra compactada

Las ventanas presentan paneles de aislamiento térmico como un segundo cerramiento después del vidrio. Entre el vidrio y el panel se encierra una capa de aire que refuerza el aislamiento. Estos paneles están compuestos por dos superficies de esteras que contienen relleno de lana de oveja, estructurado por un marco de madera.

Cimiento de piedra

Se propone la incorporación de tres tecnologías en energías renovables: energía solar térmica (terma solar), energía solar fotovoltaica (sistema fotovoltaico) y biomasa (termococina a bosta) (véase la Figura 7). La selección de estas tecnologías responde directamente a las condiciones climáticas del lugar. Las regiones altoandinas presentan precipitaciones de 726 mm anual, lo que constituye un gran potencial de recurso hídrico que la propuesta aprovecha y facilita el acceso a la población. Además, estas regiones presentan una incidencia solar promedio de 10 horas, lo cual produce una irradiación de 6,5 a 7,0 kWh/m2 (Ministerio de Energía y Minas 2003). A partir de la captación de aguas pluviales se desarrollan las tecnologías apropiadas basándose en la energía solar térmica y el uso de la bosta de ganado (biomasa), recurso natural al alcance de los pobladores.

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 23

FIGURA 7 Sistemas tecnológicos sustentables integrados al diseño arquitectónico

Agua de lluvia (Recurso natural renovable)

Terma solar (Energía solar térmica) 1. Canaleta 2. Tanque de agua 3. Colector solar 4. Ducha 5. Piso radiante

Botella de plástico recicladas

Manguera 3

Calamina 7

Sistema Fotovoltaico (Energía solar fotovoltaica)

14 4 10

5 15

11 11

Elaboración propia

24 PREMIO ODEBRECHT 2013

7. Panel fotovoltaico 8. Tablero de control 9. Baterías 10. Tablero eléctrico 11. Bomba de agua 12. Foco ahorrador

Termococina mejorada a bosta (Energía por biomasa) 13. Cocina mejorada 14. Chimenea 15. Tanque de agua 16. Piso radiante

Para asegurar el confort térmico de la vivienda, la propuesta arquitectónica bioclimática incorpora el sistema de calefacción por piso radiante, sistema que funciona aplicando las tres tecnologías limpias antes mencionadas. El calentamiento de las aguas de lluvia se realiza por medio de una terma solar (energía solar térmica) y por medio de una termococina mejorada a bosta (energía por biomasa), ambas tecnologías inyectan agua caliente al sistema de piso radiante. Para la recirculación del agua del piso radiante se utiliza energía captaba por medio de la tecnología del panel solar fotovoltaico. A partir de este sistema integrado de tecnologías se completa el sistema de calefacción, se abastece de agua caliente a la ducha y se proporciona energía para la iluminación de la vivienda. La aplicación de dichas tecnologías determinan la configuración de los techos de acuerdo con dos funciones: una parte del techo funciona como superficie recolectora de lluvias, y otra parte funciona como soporte de una terma solar y el panel solar fotovoltaico. Para maximizar la eficiencia de la recolección de aguas se plantea un techo a un agua que oriente en un solo sentido las aguas pluviales hacia los tanques de la terma solar, la cual se encuentra en los techos de la ducha y el depósito. Estos se hallan a menos de 45 cm del nivel natural del suelo para asegurar que la recolección de las lluvias, así como la caída de agua caliente en la ducha, se realice por gravedad. La tecnología de la terma solar brinda confort térmico a dos ambientes de la casa por medio de un sistema de piso radiante en cada uno: la habitación familiar y el cuyero. La terma solar funciona basándose en la recolección y el almacenaje del agua de lluvia

por medio del techo de la vivienda a través de canaletas conectadas al tanque colector de agua de 300 litros de capacidad. El tanque está compuesto por dos contenedores dispuestos uno dentro del otro, entre los cuales se coloca un relleno de lana de oveja como aislamiento térmico para mantener el calor del tanque interior. De esta manera, los tanques de agua son colectores y termas a la vez. Estos tanques pueden construirse usando dos cilindros de plástico reciclados y lana de oveja, producto que abunda en la región. El tanque de almacenamiento de agua se conecta a un colector solar tipo serpentín, formando en su conjunto el sistema de terma solar, el cual puede ser construido artesanalmente sobre la base de materiales accesibles al poblador. De los tanques sale agua fría por medio de mangueras que atraviesan una serie de botellas de plástico recicladas, las cuales producen el efecto invernadero sobre las mangueras gracias a la exposición solar, calentando de esta manera el agua. Las mangueras con las botellas insertadas se colocan sobre una plancha de calamina para darle soporte y el ángulo de inclinación, a la vez que aumenta la incidencia solar debido a las propiedades de reflectancia de dicho material. Las aguas pluviales se convierten en agua segura mediante el efecto SODIS (Meierhofer y Wegelin 2003), que se produce mediante la exposición a los rayos UV del Sol y el calentamiento del agua, desinfectando el agua por la exposición solar. Para ello, se colocarán un conjunto de botellas de plástico que estarán ubicadas en el techo al costado de la terma solar. En las regiones altoandinas, el calentamiento solar pude alcanzar una temperatura de 80 °C (Vásquez 2013), de modo que se garantiza la accesibilidad al agua segura.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 25

La propuesta arquitectónica permite contar con un colector solar tipo serpentín de 0,90 x 3,40 m sobre el techo de la ducha y el ambiente de depósito de la vivienda. Al alcanzar la temperatura suficiente, el agua caliente sube hacia el tanque debido al cambio de densidad sobre el agua fría. Del tanque, el agua caliente ingresa al sistema de piso radiante tanto de la habitación familiar como del cuyero, abastece a dos ambientes ya que cuenta con la capacidad de 300 litros. La termococina mejorada a bosta (biomasa) se ha incorporado al interior de la vivienda, en el ambiente social. La termococina es una cocina mejorada que se ha conectado a un tanque de agua, el cual se calienta con el calor producido por la cocción de los alimentos. De igual forma que en la terma solar, el agua al interior de la cámara (caja metálica) dentro de la cocina se calienta y sube al tanque por el cambio de densidades entre el agua fría y el agua caliente. Desde el tanque y por medio de una manguera, se abastece de agua caliente a un tercer sistema de piso radiante que brinda confort térmico al ambiente social de la vivienda. Asimismo, cabe recalcar que la tecnología de la cocina mejorada permite la eliminación adecuada de humos por medio de su chimenea incorporada a ella (véase la Figura 8). Cuando el agua caliente ingresa a los sistemas de piso radiante (Olivera 2011) y circula en el piso de los ambientes, va perdiendo calor; por ello, es necesario recircular el agua hacia los tanques de la terma solar y la termococina, de modo que se usa varias veces la misma cantidad de agua. La demanda de energía eléctrica es de 0,72 Kw/h/día; para esta necesidad se ha planteado el uso de la tecnología del sistema solar fotovoltaico para la aplicación de un sistema de bombeo en la recirculación de

26 PREMIO ODEBRECHT 2013

agua. La propuesta arquitectónica permite contar con dos paneles solares que ocupan 1,70 m2 de superficie, que se encuentran sobre los techos de la ducha y el depósito de la vivienda junto al colector solar, correspondiente a una potencia instalada de 150Wp. Esta energía se almacena en tres baterías solares de 100Ah por medio de un controlador de 25A, energía eléctrica que se utiliza para el funcionamiento de dos bombas solares de bajo consumo de potencia de 50W DC (corriente continua) por 5 horas de consumo. Una está ubicada en el depósito que bombea el agua proveniente de los sistemas de piso radiante de la cuyera y de la habitación familiar. La otra bomba se ubica junto a la termococina y bombea el agua del piso radiante de ese ambiente. El sistema fotovoltaico no solo permite el funcionamiento de las bombas, sino que brinda un excedente de energía y hace posible instalar un circuito de luminarias ahorradoras que permitirá iluminar cada ambiente de la vivienda. Es por ello que se incluye un tablero general para la instalación de los circuitos de las bombas y un circuito de iluminación que alimenta de electricidad a cinco focos ahorradores de 11Wp de potencia, a 12V DC (corriente continua) por 4 horas de consumo.

FIGURA 8 Funcionamiento de la termococina mejorada a bosta

Eliminación de humos chimenea de 5 m de alto

Tanque de agua llenado a mano Agua caliente ingresa por la parte superior Salida de agua caliente hacia el piso radiante

Salida del agua fría por la parte inferior

Ingreso de agua fría impulsada por la bomba de agua

Cámara de agua calentada a cocción Cocina de adobe

Salida de agua caliente

Fogón a bosta

Entrada de agua caliente

Base de piedra

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 27

FIGURA 9 Sistema integrado de las tres tecnolog铆as sustentables

Elaboraci贸n propia

28 PREMIO ODEBRECHT 2013

6. SOSTENIBILIDAD

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// a) En términos sociales El diseño bioclimático y ecológico propuesto para una vivienda rural constituye un modelo de vivienda digna y humana a la que todo ciudadano tiene derecho a acceder. La vivienda cuenta con confort térmico por medio de sus sistemas de calefacción (piso radiante y sistema constructivo de la vivienda), frente al clima de la región altoandina, pero principalmente frente a los períodos de heladas. Además, cuenta con acceso al agua segura por medio del efecto SODIS. Y la terma solar contribuye con la higiene y, por tanto, con el manteniendo de la salud familiar. La cocina mejorada permite una mejor cocción de alimentos y la eliminación de humos, con lo que se reduce la contaminación intradomiciliaria. A todo esto, se suma la iluminación de calidad, que permitirá mejorar el rendimiento académico de los niños, quienes podrán estudiar durante las noches. También se podrá compartir mediante diferentes actividades familiares. Las viviendas propuestas están destinadas para una población de bajos recursos económicos, principalmente pastores de ganado alpaquero y ovino. Las alpacas y los ovinos son animales vulnerables a las bajas temperaturas de las heladas; sus muertes ocasionan muchas pérdidas económicas.

Es por ello que el modelo propuesto es una vivienda productiva en la que se realiza la crianza de cuyes. Cuenta con un espacio propio destinado a esta actividad, la cual constituye una alternativa de sustento económico muy conveniente si se asocia con un sistema de calefacción, ya que el calor contribuye a aumentar la reproducción de estos animales. La totalidad del diseño propuesto se ha proyectado sobre la base del uso del sistema constructivo tradicional del adobe, pensando en lo importante que es mantener viva la transmisión de este conocimiento ancestral en el uso del recurso constructivo más abundante que es la tierra. Todos los sistemas presentes en el diseño son fáciles de replicar, por ello se plantea la construcción de estas viviendas bajo el método de participación colectiva conocido como ayni a fin de reforzar un sistema de reciprocidad que se practica desde el período prehispánico hasta la actualidad. De este modo no solo se trasmiten el conocimiento y la técnica, sino que se contribuye a la cohesión de la comunidad, a la vez que se desarrollan sus capacidades y se otorga herramientas técnicas para generar oportunidades de trabajo a la población.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 29

b) En términos ambientales El proyecto se rige bajo los principios de sostenibilidad del diseño bioclimático y ecológico. El modelo de vivienda rural se adapta a las características climáticas del lugar y aprovecha los recursos naturales que este presenta: desde energías renovables hasta los materiales de construcción. El diseño plantea sus estrategias de adaptación al clima del lugar basándose en el uso de materiales naturales y/o de bajo costo y muy baja energía incorporada como es la lana de oveja, la paja de ichu, el mucílago de cactus, la estera y la tierra misma para preparar el adobe. Además, se incluye el uso de materiales reciclados como las botellas y los tanques de agua. El diseño bioclimático y ecológico permite la construcción de una vivienda productiva autosuficiente sobre la base de la recolección del agua de lluvia y al aprovechamiento de la energía solar, por medio de las tecnologías aplicadas, aprovechando eficazmente las cualidades climáticas que presenta la región altoandina del Perú, como las horas de incidencia solar y el nivel de precipitaciones. Se ha planteado que cada una de las tres tecnologías resuelva más de un problema a la vez para maximizar su eficiencia y justificar su incorporación en la vivienda rural. De este modo la energía solar se usa para brindar agua caliente (terma solar) y agua segura (efecto SODIS) para el consumo doméstico y al mismo tiempo que se utiliza su energía térmica para calentar la vivienda contribuyendo, además, a la reproducción de los cuyes. La energía térmica de la cocina mejorada se usa para brindar confort térmico a la vivienda y a la vez que mantiene un ambiente interior limpio de CO2 permitiendo

30 PREMIO ODEBRECHT 2013

la preparación adecuada de los alimentos, además, al ser una cocina eficiente en el uso de bosta como combustible, se reduce el consumo de biomasa. La energía fotovoltaica aprovecha la radiación solar para producir energía eléctrica que es usada con dos propósitos: para completar el sistema de calefacción de la vivienda y dotar de iluminación a la vivienda.

c) En términos económicos Los costos de los materiales presentados se basan en la construcción de una vivienda de adobe reforzada en la sierra a más de 3500 metros sobre el nivel del mar. A continuación se presenta el sustento económico del proyecto. El valor neto agregado es positivo; esto indica que el proyecto es aceptable y que el beneficio social es muy alto. La tasa interna de retorno es superior al costo de oportunidad del capital.

CUADRO 1 Materiales de construcción - vivienda en adobe

Partida

Unid

Cantidad

Cimiento - concreto ciclópeo

12,15

CONCRETO Cemento Arena fina Grava PIEDRA GRANDE DE 8’’

M3 BOL M3 M3 M3

4,86 28 1,62 2,43 7,29

Sobrecimiento - concreto ciclópeo

3,16

CONCRETO Cemento Arena fina Grava PIEDRA MEDIANA DE 4’’

M3 BOL M3 M3 M3

1,26 10 0,42 0,63 1,89

P.U. (S/.)

17,20 150,00 20,00 45,00

172,00 63,12 12,62 85,21

1 578,00 UNID PQT

3 770 7

0,40 10,00

1 508,00 70,00

5 385,17 PZA M3 P2 PZA PZA ML

28,00 9,22 1 036,40 77,00 8,00 11,00

35,00 12,50 2,80 15,00 14,00 11,00

Acabados LANA DE OVEJA MADERA TORNILLO CEPILLADA TIERRA SELECCIONADA VIDRIO SIMPLE

481,60 242,90 48,58 327,92

332,96

Techo CALAMINA (2,44 m X 0,90 m X 0,25 mm) PAJA CORTADA MADERA ASERRADA VIGA COLLAR MADERA ROLLIZA DE EUCALIPTO 3’’ X 3 m ESTERA DE TOTORA 4 X 2 m CANALETA 4’’

Total (S/.)

1 101,00

Muros ADOBE CAÑA (PAQUETE DE 24 CAÑAS)

Parcial (S/.)

980,00 115,25 2 901,92 1 155,00 112,00 121,00

926,91 KG P2 M3 P2

315,00 13,43 1,68 15,30

2,50 5,60 20,00 2,00

787,50 75,21 33,60 30,60

Mano de obra CONTRAPARTIDA DE LA POBLACIÓN

0,00

9 324,03 Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 31

CUADRO 2 Materiales de construcción tecnologías

Partida

Unid

P.U. (S/.)

Cantidad

Termococina

Parcial (S/.)

Total (S/.)

212,50

COCINA Cuerpo de cocina de adobe y cámara de cocción (contrapartida de la población)

0,00

TERMA Tanque de plástico (80 litros)

UNID

50,00

Aislamiento de lana de oveja

2,50

62,50

100,00

Caja de calentamiento de agua de fierro, tuberías y accesorios

UNID

Terma solar

653,80

COLECTOR SOLAR Manguera de plástico negra reforzada 5/8 (15 m)

UNID

16,90

Botellas de plástico recicladas (contrapartida de la población) Calamina (2,44 m x 0,90 m x 0,25 mm)

33,80 0,00

UNID

35,00

140,00

UNID

180,00

2,50

240,00

TANQUE DE ALMACENAMIENTO Tanque de plástico (300 litros) Lana de oveja

Tuberías y accesorios entre el tanque y el colector

60,00

Sistema fotovoltaico

3 080,00

Panel 75 Wp

UNID

630,00

Controlador 25 A

UNID

420,00

Baterías

UND

336,00

1008,00

1 260,00

Cables (calibre 14 AWG)

8,40

252,00

Luminarias ahorradoras

UNID

46,66

140,00 1 037,40

Piso radiante Bomba solar DC (corriente continua)

UNID

420,00

840,00

Manguera (15 m)

UNID

8,40

92,40

Válvula reguladora de caudal

UND

35,00

105,00

5 823,70 Elaboración propia

32 PREMIO ODEBRECHT 2013

CUADRO 3. Flujo de caja económico

Detalle

2014 0,00

Saldo inicial

2015

2016

14 852,27

Ingresos Premio Odebrecht al desarrollo sostenible

30 000,00

Total de ingresos

30 000,00

Egresos Construcción de la vivienda

9 324,03

Construcción de tecnologías en energías renovables

5 823,70

Total de egresos

15 147,73

0,00

Saldo final

14 852,27

Elaboración propia CUADRO 4. Indicadores financieros positivos

Valor actual neto

Tasa interna de retorno

1 286,03

21,09 %

Elaboración propia

7. CONCLUSIONES

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El diseño bioclimático y ecológico integrado permite la agrupación adecuada de los aspectos espaciales, constructivos y tecnológicos de la vivienda, logrando que funcionen en conjunto y se asistan entre ellos y que aprovechen los recursos naturales y energéticos renovables de la zona. La vivienda planteada resuelve el acceso al agua y los problemas de confort térmico a nivel de calefacción y calentamiento de agua, electrificación, cocción de alimentos y genera la posibilidad de acceder a un ingreso económico extra gracias a la crianza y venta de cuyes. Los problemas constructivos y climatológicos se convierten en potencialidades al momento del diseño, aprovechando las cualidades de inercia térmica y aislamiento de los materiales del lugar, las precipitaciones pluviales y la cantidad de energía solar de Macusani para generar una vivienda sostenible que genere el menor impacto en el paisaje rural y en la cultura de los pobladores.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 33

8. CONSIDERACIONES FINALES

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Se eligió el distrito de Macusani, en el departamento de Puno, a fin de usar datos reales como la incidencia solar y los niveles de precipitaciones importantes para la determinación del diseño conceptual y constructivo de la vivienda y de las tecnologías aplicadas. Sin embargo, el modelo de vivienda propuesto está diseñado para toda zona altoandina a partir de los 3500 metros sobre el nivel del mar ya que comparten las mismas necesidades de confort térmico y los mismos problemas sociales y económicos (INEI 2013).

9. BIBLIOGRAFÍA

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34 PREMIO ODEBRECHT 2013

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2003 Desinfección solar del agua: guía de aplicación [Versión de DX Reader]. <http://www.sodis.ch/methode/anwendung/ausbildungsmaterial/dokumente_ material/manuals.pdf> Ministerio de Energía y Minas

2003 Atlas de energía solar del Perú. Lima: SENAMHI. Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento

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Yeang, K.

1999

Proyectar con la naturaleza: bases ecológicas para el proyecto arquitectónico. Barcelona: Gustavo Gili.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 35

IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALEFACCIÓN SOLAR EN HUAYTORCO (CAJAMARCA)

ALUMNOS

Heber Landauro Villanueva Jean Pool Rojas Bismarck Héctor Casique Bojórquez

ASESOR

Denis Arangurí Cayetano Universidad Nacional del Santa

36 PREMIO ODEBRECHT 2013

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 37

1. INTRODUCCIÓN

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El Perú es uno de los países con mayor radiación solar. En promedio, esta es mayor a 5 kWh/m2. Es así que si se cuenta con una tecnología adecuada que permita convertir la radiación solar en calor útil, este se puede aprovechar y utilizar en diferentes aplicaciones tal como se propone en el presente proyecto, el cual consiste en implementar calefactores solares por muro Trombe en el caserío de Huaytorco.

El uso de un sistema de calefacción solar permite que la temperatura se incremente hacia valores que garanticen el confort térmico para los pobladores de las zonas más frías del Perú. El caserío de Huaytorco se encuentra ubicado en el distrito de La Encañada, provincia de Cajamarca, departamento de Cajamarca. La Encañada pertenece a la región natural quechua y se ubica, aproximadamente, a una altitud de 3150 metros sobre el nivel del mar. Su clima es templado y seco; durante el día y la noche las temperaturas son drásticamente distintas. La temperatura promedio anual es de 12 °C, aproximadamente. En esta zona,

38 PREMIO ODEBRECHT 2013

las inclemencias de las bajas temperaturas afectan el bienestar y la salud de sus pobladores, lo cual implica una baja calidad de vida. El caserío de Huaytorco tiene un total de 54 viviendas, con una densidad familiar de cuatro (4) personas por vivienda. Es así que se estima una población total de doscientas dieciséis (216) personas, la cual se caracteriza por su bajo nivel socioeconómico. Desarrollan su economía a partir de actividades de carácter agropecuario, y tienen un ingreso per cápita promedio por debajo de la remuneración mínima vital. El proyecto propone aprovechar los recursos materiales y energéticos propios de la zona como son las piedras, el adobe y el recurso solar, el cual es constante durante todo el año y permite asegurar su sostenibilidad. Asimismo, tiene como objetivo principal implementar un sistema de calefacción solar que permita el incremento de la temperatura hacia valores que garanticen el confort térmico en el interior de las viviendas de adobe de los pobladores de la zona, lo cual reducirá los riesgos de contraer enfermedades respiratorias en los niños y ancianos de la localidad, principalmente. Asimismo, se busca que el proyecto resulte económicamente viable a los pobladores de la zona mediante el uso de la energía solar como fuente renovable y sostenible.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// La energía solar térmica es aquella que aprovecha la energía del Sol para producir calor (energía térmica), el cual puede utilizarse en:

FIGURA 1 Colector solar de placa plana con agua

Producción de agua caliente sanitaria (ACS) (baños y albercas) Calefacción y/o acondicionamiento de locales (por aire o por agua) Producción de energía mecánica y, a partir de ella, energía eléctrica Secado y/o cocción de alimentos Destilación de agua, entre otros Producción de calefacción solar El sistema de calefacción solar utiliza la energía termosolar para ceder calor a un fluido, que puede ser agua o aire, y que circula por un captador solar. Este, a su vez, cede calor a una habitación directamente a través de los ductos de entrada y salida del fluido. Los tipos de sistemas de calefacción solar son los siguientes:

Fuente: ARQUITEXS (2013).

b) Colector solar de placa plana con aire Cede el calor de la radiación solar a una masa de aire que circula en su interior libremente. FIGURA 2 Colector solar de placa plana con aire

a) Colector solar de placa plana con agua Cede el calor de la radiación solar a una masa de agua que recorre el interior de tubos extendidos entre dos cabezales.

Fuente: EDIFICA VILSSA (2013).

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 39

c) El sistema de calefacción solar por muro Trombe

Funcionamiento de un sistema de calefacción por muro Trombe

Es un sistema de aprovechamiento de la energía solar térmica que utiliza al aire como fluido caloportador. Este sistema consiste en un muro orientado hacia el Sol, en la dirección norte en el hemisferio sur, el cual posee un espacio de aire con una cubierta transparente cuyo interior tiene materiales que acumulan calor, tal como la piedra, y un sistema de orificios que permiten la circulación del aire caliente y frío. Todo esto en conjunto forma un sistema de calefacción solar.

A partir de la Figura 3 podemos explicar el funcionamiento de un sistema de calefacción por muro Trombe. Durante el día, el aire que está entre la pared y el vidrio absorbe calor por convección del muro y se eleva hasta la parte superior, e ingresa a la habitación por los orificios superiores de la pared. El aire frío sale de la habitación e ingresa al muro Trombe por los orificios inferiores y de igual forma se calienta y vuelve a ingresar a la habitación por los orificios superiores (convección natural). A su vez, el muro irradia calor al recinto interior y prolonga a lo largo del día la energía térmica que ha almacenado cuando está expuesto a la radiación solar.

FIGURA 3 Muro Trombe

El proceso se invierte por las noches, y los orificios deben cerrarse al oscurecer. La pared (muro) debe estar pintada de color negro para absorber los rayos del sol.

d) Componentes de un sistema de calefacción por muro Trombe Cubierta

Fuente: Hadzich y Pino (2009: 6).

La cubierta recibe directamente la radiación solar y actúa como filtro, siendo transparente a la radiación solar de onda corta (menor a 3 µm; permite su ingreso al interior del colector) y opaca a la radiación infrarroja (calor) que produce la placa absorbedora cuando se calienta, dificultando su paso hacia el exterior. En zonas rurales, como es el caso de la zona del proyecto, el material más accesible para la cubierta es el vidrio simple ordinario o el plástico transparente.

40 PREMIO ODEBRECHT 2013

CUADRO 1. Propiedades de las cubiertas transparentes

Materiales Transmisión de radiación solar Transmisión de radiación térmica de uso Temperatura máxima Resistencia al fuego Dilatación Grosores estándar disponibles Longevidad

Vidrio ordinario

Plástico transparente

0,86 (4 mm)

0,85

0,03

0,70

200 °C

90 °C

Mediana

Mala

Baja

Muy elevada

3 a 6 mm

0,1 a 0,3 mm

100 años +

1 a 3 años

Fuente: Herrera (2011: 26).

El acumulador de calor

En las zonas rurales, la energía solar para calefacción se requiere generalmente durante las noches; y esta suele estar disponible solo unas cuatro (4) horas durante el día (de 11:00 a. m. a 3:00 p. m.). Es por ello que se requiere un sistema de almacenamiento que acumule esta energía durante el día para suministrarla durante las noches. El material más accesible para el acumulador de calor en la zona del proyecto es la piedra. El almacenamiento en pilas de piedra utiliza la capacidad calorífica de las piedras apiladas para almacenar calor mediante la circulación del aire caliente durante el día. Sistema de transporte de la energía térmica

Está constituido por orificios ubicados convencionalmente en el muro (pared de la habitación). A través de estos orificios ingresa el fluido calor portador hacia la habitación, y se evacúa el aire frío hacia el sistema de colectores para ser temperado.

FIGURA 4 Componentes de un muro Trombe

Cubierta

Sistema de transporte de la energía térmica Acumulador de calor

Elaboración propia

e) Objetivo del sistema de calefacción solar por muro Trombe El objetivo del proyecto es incrementar la temperatura del interior de las viviendas para alcanzar el confort térmico.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 41

La norma ISO 7730 define el confort térmico como «La condición mental en la que se expresa la satisfacción con el ambiente térmico». El confort térmico ocurre cuando la temperatura del cuerpo se mantiene sostenida dentro de rangos estrechos (37 °C), y una temperatura de piel de 33 °C a 34 °C en la cual la humedad de la piel es baja y el esfuerzo fisiológico que regula nuestro metabolismo es mínimo.

FIGURA 5. Climograma de Baruch Givoni

Fuente: ECOCOCOS (2011).

42 PREMIO ODEBRECHT 2013

La zona del proyecto se encuentra a una humedad relativa del 70 % y 75 %. Según el Climograma de Baruch Givoni, el confort térmico a una humedad relativa entre estos valores se obtiene entre los 21 °C y 22 °C.

3. PROBLEMÁTICA

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// A continuación se presenta la problemática que se abordará. Para poder conocer las temperaturas promedio del caserío de Huaytorco, se tomó como referencia las mediciones realizadas por la estación La Encañada - SENAHMI: Estación: La Encañada - SENAHMI Tipo: Convencional - Metereológica Departamento: Cajamarca Latitud: 7°7’7”

Provincia: Cajamarca Longitud: 78°19’19”

Distrito: Encañada Altitud: 2950

CUADRO 2. Temperaturas promedio de la zona

Temperaturas (°C)

2012

2013

Máxima

Mínima

Promedio

Agosto

18,51

7,92

13,22

Septiembre

19,56

5,73

12,65

Octubre

18,28

7,16

12,72

Noviembre

18,81

7,79

13,30

Diciembre

19,43

6,51

12,97

Enero

18,51

7,92

13,22

Febrero

18,99

7,09

13,04

Marzo

18,81

8,45

13,63

Abril

19,44

6,65

13,05

Mayo

18,65

8,37

13,51

Junio

18,11

5,08

11,59

Julio

18,28

3,31

10,80

Agosto

18,87

3,76

11,32

18,87

6,36

12,61

Promedio Fuente: SENAHMI (2013). Elaboración propia

A partir de esta información se deduce que la zona del proyecto tiene una temperatura promedio máxima de 18 °C y una temperatura promedio mínima de 6 °C, y una temperatura promedio anual de 12,6 °C.

De la información obtenida podemos inferir que la temperatura interna de las viviendas del caserío se encuentra a una temperatura promedio de 12,6 °C, valor que está muy por debajo de la temperatura propia del

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 43

confort térmico (22 °C). Esta temperatura promedio disminuye a valores menores durante las horas de la madrugada. Estas bajas temperaturas afectan la salud y el confort de sus pobladores: niños, adultos y ancianos, de los cuales los más perjudicados son los niños y ancianos. Se ha buscado solución a este problema mediante sistemas de calefacción basados en kerosene, maleza, y otros como es el caso de calefactores eléctricos, pero todas estas opciones tienen la desventaja de ser costosas, de no estar fácilmente disponibles, de ser difícil manejo y de ser contaminantes para el medio ambiente y la salud por la emisión de gases como CO2.

Para dar solución a este problema, el proyecto propone que se aproveche un recurso que es abundante en la zona: la energía solar. Según Jorge Valderrama Bazán (2012), subgerente de medioambiente de la Municipalidad Provincial de Cajamarca, esta ciudad se encuentra entre los departamentos que tienen mayor índice de radiación ultravioleta, tanto así que Cajamarca ocupa el segundo lugar, pues el primero lo tiene Arequipa. Podemos corroborar esta información mediante la Figura 6 que se presenta a continuación.

FIGURA 6. Energía solar incidente diaria en Cajamarca

CAJAMARCA

Febrero

Mayo

Agosto

Noviembre

kW h/m2 < 4.0 4.0 - 4.5

Fuente: SENAMHI (2003: 73).

44 PREMIO ODEBRECHT 2013

4.5 - 5.0 5.0 - 5.5

5.5 - 6.0 6.0 - 6.5

6.5 - 7.0 7.0 - 7.5

> 7.5

Utilizan energía gratuita disponible en cualquier parte del Perú.

CUADRO 3 Radiación solar promedio

Mes

Radiación (kWh/m2)

Requieren de una tecnología simple y fácilmente manejable.

Febrero

5,25

Son de inversión reducida.

Mayo

Son de fácil construcción.

Agosto

5,75

Exigen poco mantenimiento y supervisión.

Noviembre

6,25

Promedio

5,6

Elaboración propia (basada en la Figura 6)

El Cuadro 3 nos permite observar que en el caserío de Huaytorco hay una radiación solar promedio de 5,6 kWh/m2 diaria durante todo el año, la cual es una cantidad considerable. Es en este contexto que la energía es aprovechable y adecuada para las regiones frías de los países en vías de desarrollo por las siguientes características:

Se adaptan a las construcciones existentes. Solucionan problemas de polución y reducen el efecto invernadero. Es en este contexto que el problema principal que se debe abordar es elevar la temperatura interna de las viviendas del caserío de Huaytorco hacia valores cercanos al confort térmico mediante la implementación de un sistema de calefacción solar por muro Trombe, y así disminuir el riesgo de vida debido a problemas respiratorios.

4. METODOLOGÍA Y HERRAMIENTAS

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Departamento: Cajamarca 4.1. CONSIDERACIONES INICIALES PARA EL DISEÑO

Provincia: Cajamarca

a) Ubicación geográfica de la vivienda

Caserío: Huaytorco

Distrito: La Encañada Latitud: 7° 7’ S Longitud: 78° 20’ W Altitud: 3150 m.s.n.m.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 45

b) Clima exterior ambiental Temperatura promedio máxima anual

18,865 °C

Temperatura promedio mínima anual

6,358 °C

Temperatura promedio anual

12,611 °C

Radiación promedio anual:

5,6 kWh/m2 día

c) Dimensiones de una vivienda promedio Largo: 5,90 m

4.2. DIMENSIONAMIENTO DEL MURO TROMBE

a) Área del muro y número de orificios Para hallar el área del muro se utiliza el Cuadro 4, que indica el área que debe tener el muro Trombe basándose en el área de la habitación y la condición climatológica media del lugar. En el mismo cuadro se indica el número de orificios promedio que debería tener el muro. CUADRO 4 Selección del área del muro Trombe y número de orificios

Ancho: 3,35 m Altura: 2,10 m FIGURA 7 Dimensiones de una vivienda típica de la zona

Elaboración propia

Área del muro Trombe (m2) y número de orificios en la pared Área de la habitación (m2)

9-11 12-14 15-17 18-20 21-23

Lugares templados (m2)

6,5

9,5

Número de orificios

Lugares fríos (m2)

13,5

15,5

Número de orificios

Lugares muy fríos (m2)

8,5

13,6

16,5

Número de orificios

Fuente: Hadzich y Pino (2009: 7).

46 PREMIO ODEBRECHT 2013

El área de la habitación a la que hay que ponerle calefacción es:

En el Cuadro 4 obtendremos el área y el número de orificios de nuestro muro Trombe. La vivienda posee un área a calefactar de 19,77 m2; esto nos ubica en la columna de área de habitación del rango de 18 a 20 m2. Luego interceptamos este valor con el tipo de clima de la zona (el proyecto se encuentra ubicado en un lugar de clima templado, temperatura promedio mayor a 5 °C); luego para estos datos de entrada, se obtiene:

b) Ancho del muro Trombe Para hallar el ancho del muro se utiliza el Cuadro 5, que indica el ancho que debe tener el muro Trombe sobre la base de la altura del muro. CUADRO 5 Altura y ancho del muro Trombe

Inclinación del muro Trombe H: altura del muro Trombe (m)

a: ancho del muro Trombe (m)

Si el lado de la vivienda donde se construirá el muro Trombe tiene 5,90 m de largo y 2,10 m de altura, el área del muro Trombe será de 9,5 m2

Si consideramos una altura del muro Trombe de 1,70 m, obtenemos una base del muro Trombe de 5,60 m.

Según el Cuadro 5, a una altura de 1,70 m del muro Trombe le corresponde un ancho de 0,68 m.

c) Almacenamiento de la energía solar Los muros Trombe almacenarán energía en pilas de piedra; estas pilas de piedras deben tener de 20 a 30 cm de espesor. Se deben utilizar piedras de 6 cm de diámetro, aproximadamente.

d) Inclinación de la cubierta La inclinación deberá ser de 70°, aproximadamente, para poder captar más rayos solares y lograr un buen funcionamiento.

1,5

0,6

e) Orientación del muro Trombe

1,7

0,68

1,9

0,76

2,1

0,84

En el hemisferio sur, el muro Trombe debe estar orientado hacia el norte, con una desviación máxima de 15° a 20° para obtener la mayor captación de los rayos del Sol durante el día.

Fuente: Hadzich y Pino (2009: 8).

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 47

4.3. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DEL SISTEMA Las características técnicas del sistema se detallan en el Cuadro 6. CUADRO 6 Descripción técnica del sistema

Área muro Trombe

Número de orificios

Altura

Base

Ancho

Inclinación del colector

Longitud de la cubierta

Área de la cubierta

9,5

1,7

5,6

0,68

68,2º

1,84

10,3

Elaboración propia

4.4. CONSTRUCCIÓN Los materiales básicos necesarios para la construcción de un sistema de calefacción por muro Trombe se describen en el Cuadro 7. Para la construcción se sigue el siguiente procedimiento: Limpieza del área y trazo de dimensiones y agujeros diseñados para el muro Trombe Perforación de agujeros, resanando con yeso y adobe convenientemente Excavación y colocación de un pequeño cimiento con piedra, adobe y barro; y pintado de muro con pintura negro mate (acabado) Construcción de armazón de colector con listones de madera Colocación de malla de fierro y piedras de almacenamiento pintadas de negro mate Fijación de plástico o vidrio y sellado de fugas con silicona

48 PREMIO ODEBRECHT 2013

El confort térmico del poblador de la zona (100 %) se logra al alcanzar los 22 °C de temperatura. Inicialmente, el poblador se encuentra a una temperatura promedio anual de 12,6 °C, es decir, a un 57,3 % del confort térmico. A partir de resultados experimentales (Alvarado y Sandoval 2013), se sabe que el sistema de calefacción por muro Trombe logra incrementar la temperatura de la vivienda en un intervalo de 5 °C a 8 °C con respecto a la temperatura externa. En el supuesto de que con la instalación de un sistema de calefacción solar por muro Trombe se logre incrementar la temperatura en 6 °C, se incrementará la temperatura del interior de las viviendas hasta los 18,6 °C en promedio, con lo cual el confort térmico será del 93 %; y se podrá decir que el interior de las viviendas goza de unas condiciones aceptables de calor y, por tanto, de confort térmico.

CUADRO 7 Materiales y herramientas de construcción

Base

Utilización

Adobe

Construcción del cimiento para el apoyo de los listones de madera

Piedras de 6 cm de diámetro aproximadamente

Acumulador de calor

Pintura negro mate

Pintado de las piedras

Pared o muro

Utilización

Yeso

Acabado de la pared

Pintura negro mate

Pintado del muro

Armazón

Utilización

Listones de madera

Base para el armazón

Clavos ½’’, ¼’’

Para unir los listones de madera con la pared

Plástico de invernadero

Cubierta del muro Trombe

Silicona

Sellado de fugas

Pistola aplicador de silicona

Para el uso de la silicona

Malla de fierro

Apoyo de la cubierta frontal

Agujeros

Utilización

Tubos de PVC de 10 cm de diámetro

Sistema de transporte de la energía térmica

Yeso

Acabado de los agujeros

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 49

5. SOLUCIONES PROPUESTAS

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Se propone la implementación de un sistema de calefacción solar por muro Trombe que permita incrementar la temperatura al interior de una vivienda rural de adobe. Este incremento de temperatura interna permitirá: Mejorar la baja calidad de vida del poblador debido al poco acceso a fuentes energéticas de calefacción que le permitan vivir en un ambiente de confort térmico.

FIGURA 8 Modelo del muro Trombe que se implementará

Disminuir los problemas de salud en los niños, adultos y ancianos debido a las bajas temperaturas propias de la zona, así como disminuir el riesgo de contraer alguna enfermedad respiratoria. Disminuir la contaminación ambiental global al utilizar fuentes de energías limpias como es la energía solar. Se dejará de emitir cierta cantidad de CO2, ya que se dejará de quemar algún combustible. Disminuir el uso de recursos naturales, como es la leña u otra fuente de energía de la zona, lo cual contribuirá a una mayor preservación de los ecosistemas del lugar. Disminuir la falta de fuentes de energía de calefacción a bajo costo.

50 PREMIO ODEBRECHT 2013

Elaboración propia

6. SOSTENIBILIDAD

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// La sostenibilidad de este proyecto se puede apreciar en términos tanto ambientales como económicos y sociales.

a) Términos ambientales El uso de energía solar contribuye a reducir las emisiones de C02 u otros contaminantes del medio ambiente al sustituir la quema de un combustible para generar una fuente de energía limpia y segura como es el sistema de calefacción solar por muros Trombe. Análisis ambiental:

TON CO2 dejadas de emitir: Al reemplazar un calefactor eléctrico (termorradiador) por calefacción solar de muros Trombe, se tiene el siguiente beneficio ambiental: Las viviendas de la zona tienen un área aproximada de 20 m 2, por lo que una opción recomendable sería el uso de un termorradiador con las siguientes características: Para un área aproximada entre 15 a 20 m2 Incremento de 5 a 10 °C de la temperatura del ambiente 220 v / 60 Hz / 1500 w El precio de un termorradiador con las características dadas es de S/. 120, aproximadamente.

Entonces, al reemplazar el uso de un termorradiador eléctrico por un sistema de calefacción solar por muro Trombe se deja de emitir, aproximadamente, 2,49 Ton CO2 /año, con lo que se demuestra que el proyecto es sostenible ambientalmente.

b) Términos sociales Las bajas temperaturas que se perciben en las zonas de la serranía peruana es uno de los principales problemas que afectan la calidad de vida de las familias en diversos aspectos, principalmente en temas relacionados con la salud. Esta es una de las principales causas de las enfermedades respiratorias que inciden en mayor porcentaje en los niños, afectando además su desempeño de vida tanto educacional como familiar al no poder vivir en unas condiciones de confort térmico adecuado. Es por esta razón que es indispensable realizar el proyecto, pues al incrementar la temperatura al interior de las viviendas mejora la calidad de vida en diversos aspectos, como son las actividades diarias del hogar y las actividades educativas de los niños en edad escolar, además de producirse una sensación de bienestar térmico entre la población. Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 51

c) Términos económicos Además, al ser este proyecto de fácil diseño y construcción, se puede capacitar a los pobladores para que ellos mismos participen activamente en la implementación del muro Trombe y obtengan, a la vez, conocimientos sobre la energía solar y los beneficios que esta puede darles. De esta manera, se busca difundir este tipo de tecnologías sostenibles, y se enfatiza que la radiación solar promedio anual en Cajamarca es la segunda más elevada del país de modo que este conocimiento se haga extensivo a toda la población.

Este proyecto es económicamente viable debido a la simplicidad de su construcción, a que se cuenta con materiales propios de la zona y al bajo costo de los materiales con los que se construye. Además, solo tiene un costo inicial, el de su construcción, y no demanda costos de mantenimiento o soporte técnico, ya que lo puede realizar el propio usuario. A continuación se presenta el costo económico aproximado para la construcción del muro Trombe. En los precios solo se incluyen costos de materiales; se asume que la mano de obra proviene del poblador.

CUADRO 8 Materiales para la construcción

Precio (S/.)

Descripción

Cantidad

Total (S/.)

Malla de fierro

Yeso

Bolsa de 13 kg

Pintura negro mate

gal

Plástico de invernadero

Silicona

Pistola aplicador de silicona

Clavos ½’’

¼ kg

Clavos 1/’’

¼ kg

Listones de madera

Listón de 1 m, 4 x 4 cm

100

Tubos de PVC de 10 cm de diámetro

Tubo de 3 m

Materiales

Piedras Costo total Elaboración propia

La inversión inicial que se hace al utilizar un calefactor por muro Trombe es de: S/. 363 (costo de materiales).

52 PREMIO ODEBRECHT 2013

363

Análisis económico:

Para las viviendas de la zona es recomendable el uso de un termorradiador de 1500 W, el cual tiene un precio de S/. 120. Al reemplazar este sistema eléctrico por un sistema de calefacción solar por muro Trombe se tiene el siguiente beneficio económico: Uso de un termorradiador

Considerando una tarifa BT5B1 (Cajamarca): 2

Uso de calefacción Trombe

Análisis de valor actual neto (VAN) CUADRO 9 Datos para el análisis económico

Rubros Costo inicial

Termorradiador (en nuevos soles)

Muro Trombe (en nuevos soles)

120

363

2 807,40

Valor de salvamento

Vida útil

Costo anual de operación mantenimiento

Elaboración Propia 1 BT5B: Tipo de tarifa eléctrica de baja tensión para uso residencial regulada por el Organismo Supervisor de la Inversión en Energía y Minería - OSINERMING. 2 ctm. S/.: céntimos de sol.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 53

Considerando que al muro Trombe se le tiene que cambiar la cubierta de plástico cada tres (3) años, lo cual representa un costo de S/. 78,00, más un costo adicional de mantenimiento por pintura, se considera un costo total de S/. 100,00. Para un horizonte de evaluación de doce (12) años, evaluado a una tasa de interés del 15 %. Termorradiador FIGURA 9 Flujo de caja neto para el termorradiador S/. 50.00

S/. 50.00

S/. 2807.40 / AÑO

S/. 120.00

Elaboración propia 3

Muro Trombe FIGRURA 10 Flujo de caja neto para el muro Trombe 0

S/. 100.00 S/. 363.00 Elaboración propia 3 4

P/A : Series uniformes de valor presente P/F: Valor presente pago único

54 PREMIO ODEBRECHT 2013

S/. 100.00

El valor presente representa el costo de realizar una inversión. En nuestro caso, ambos valores presentes nos salen negativos. Esto se debe a que la inversión del proyecto no tendrá ingresos económicos, solo tendrá egresos, por lo que se procede a realizar una evaluación desde el punto de vista social, por lo que realizamos una evaluación costo-beneficio para ambas alternativas: Número de pobladores = 216 personas Termorradiador

Muro Trombe

De las dos opciones para lograr incrementar la temperatura al interior de las viviendas, concluimos que la más rentable económicamente es el sistema de calefacción por muro Trombe porque el proyecto para lograr el beneficio del confort térmico para los pobladores tiene el menor costo.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 55

7. CONCLUSIONES

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// La energía solar es un recurso energético ilimitado que se puede aprovechar en sistemas de calefacción alternativos para las comunidades altoandinas, donde se poseen altos índices de radiación solar. El sistema de calefacción por muro Trombe logra incrementar la temperatura del interior de la vivienda, mejorando así el confort térmico y dándole al poblador una sensación de bienestar dentro de su hogar frente a las inclemencias del clima; y, al mismo tiempo, disminuye los riesgos de contraer alguna enfermedad respiratoria producto de las bajas temperaturas propias de esta zona. Este sistema permitirá que las familias de la zona del proyecto, las cuales son de recursos económicos limitados, puedan tener mayor acceso al uso de este sistema de calefacción debido a su bajo costo económico de implementación. Del análisis económico de costo-beneficio realizado se concluye que el sistema de calefacción por muro Trombe cuesta S/. 2,40 por persona; mientras que el sistema de calefacción por termorradiador cuesta S/. 81,34 por persona. Es por ello que para este proyecto social, el muro Trombe representa la mejor alternativa económica para incrementar la temperatura en el interior de las viviendas. El proyecto contribuye a mitigar los efectos de la contaminación ambiental, pues al utilizar este sistema se estaría dejando de quemar cierta cantidad de combustible y, por tanto, se estaría dejando de emitir gases de efecto invernadero.

56 PREMIO ODEBRECHT 2013

8. CONSIDERACIONES FINALES

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El proyecto fue realizado para la comunidad campesina de Huaytorco, ubicado en el distrito de La Encañada (Cajamarca). Sin embargo, por lo sencillo y económico que resulta su implementación, y considerando que el Perú es un país con un alto recurso energético, este proyecto puede realizarse en cualquier lugar del Perú donde las bajas temperaturas afecten la calidad de vida de las personas.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 57

9. BIBLIOGRAFÍA

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Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 59

APROVECHAMIENTO SOSTENIBLE DE LOS RESIDUOS FORESTALES PARA LA PRODUCCIÓN DE PELLETS DE BIOMASA LEÑOSA TORREFACTADA

ALUMNO

Rolando Vinces Guillén

ASESORA

Johanna Poggi Dávila Universidad San Ignacio de Loyola

60 PREMIO ODEBRECHT 2013

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 61

1. INTRODUCCIÓN

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// La torrefacción es una operación unitaria que en la actualidad la estudian el Energy Research Centre of the Netherlands (ECN), el Centro Nacional de Energías Renovables Gobierno Navarra (CENER), Andritz y Sector Project (Solid Sustainable Energy Carriers by Means of Torrefaction). Se la reconoce como un método que es técnica y económicamente viable para la conversión de biomasa leñosa en un dendrocombustible de alta densidad energética, hidrófobo, compactable, triturable y con una menor relación oxígenocarbono (O/C). Todas estas propiedades facilitan su transporte, manipulación, almacenamiento a largo plazo y combustión orientada a suplir necesidades energéticas rurales, urbanas e industriales.

El abastecimiento de energía a partir de la biomasa leñosa torrefactada permite el aprovechamiento sostenible de los residuos forestales, contribuyendo a la generación de una fuente energética sostenible. El abastecimiento energético a partir de la biomasa leñosa torrefactada se plantea desde la óptica del desarrollo tecnológico y económico como un avance para lograr el aprovechamiento sostenible de los residuos forestales, lo cual permite desarrollar nuevas fuentes energéticas capaces de reducir la dependencia de los combustibles fósiles y reducir los residuos sólidos.

62 PREMIO ODEBRECHT 2013

El presente proyecto busca convertir los residuos forestales de transformación primaria de la industria maderera de Pucallpa en materia prima de uso valorable para la implementación de una planta productora de pellets de biomasa leñosa torrefactada. El desarrollo del proyecto pretende generar tres impactos positivos en los aspectos ambiental, tecnológico y social. En lo concerniente al aspecto ambiental, se reducirán los residuos forestales. Estos actualmente se arrojan a las orillas del río Ucayali o se acumulan y queman, lo cual genera problemas respiratorios en los pobladores al incrementarse la emisión de gases y partículas suspendidas en el aire. En el aspecto tecnológico, se creará una relación sinérgica entre la planta productora de pellets de biomasa leñosa torrefactada y las plantas de transformación primaria, donde la primera aprovecha los residuos forestales como biomasa de alimentación, y las segundas incrementan su competitividad integrando la operación unitaria de secado a su línea de transformación beneficiándose del calor residual producido en la planta. En el aspecto social, se obtendrá energía rural más limpia en comparación con la leña o la bosta, se diversificarán combustibles de bajo costo para poblaciones en riesgo como la provincia de Melgar, región Puno, donde durante la temporada de friaje, debido a las precipitaciones sólidas (granizadas y nevadas), se genera un déficit de material combustible para la cocción de alimentos y calefacción.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// La densificación de biomasa leñosa por medio de la peletización se considera una tecnología probada para mejorar las propiedades del dendrocombustible empleado en la generación de energía calórica o eléctrica (Bergman 2005a).

producto final; estudios iniciales realizados en la producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada revelaron que los costos totales de producción no aumentan necesariamente (Bergman 2005a).

El alto poder calorífico de los pellets de biomasa leñosa en combinación con la alta densidad aparente permite tener pequeñas unidades de combustión para su uso industrial y doméstico (estufas y cocinas). Sin embargo, los pellets de biomasa leñosa también presentan ciertos inconvenientes relativos a los costos de producción, la vulnerabilidad al agua y la elaboración de una estrecha gama de materias primas.

2.1. DENDROCOMBUSTIBLE

En este sentido, el ECN ha introducido una operación unitaria a la producción de pellets de biomasa leñosa con la finalidad de emplear una amplia gama de biomasas de alimentación y producir un producto superior. El proceso se basa en la combinación de la operación unitaria de torrefacción y peletización. El proceso integra las ventajas de ambas operaciones: el aumento del poder calorífico, naturaleza hidrofóbica y buena capacidad de molienda obtenida por torrefacción, y la alta densidad a través de la peletización. Los efectos sinérgicos en la producción cuando se combinan ambas operaciones no solo mejoran la calidad del

Los dendrocombustibles son todos los tipos de biocombustibles derivados directa o indirectamente de una biomasa leñosa. En esta categoría se incluyen todos los tipos de biocombustibles derivados de los árboles y arbustos que crecen en tierras forestales y no forestales. Entre los combustibles de madera se incluye también la biomasa obtenida en actividades silvícolas (aclareos, podas y otros) y actividades de extracción y explotación (puntas, raíces, ramas, etcétera), así como subproductos industriales derivados de industrias forestales primarias y secundarias. También se incluyen los combustibles de madera derivados de plantaciones forestales con fines energéticos (FAO 2004). Según su fuente de suministro, los dendrocombustibles se dividen en combustibles de madera directos, combustibles de madera indirectos y combustibles de madera recuperados (FAO 2004).

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 63

a) Combustibles de madera directos Los combustibles de madera directos emplean madera extraída directamente de los bosques, de otros terrenos boscosos y de otras tierras destinadas al suministro de energía para cubrir la demanda, e incluyen tanto los combustibles de madera inventariados (registrados en estadísticas oficiales) como no inventariados. Este tipo de combustibles se queman directamente o se transforman en otro combustible como, por ejemplo, carbón vegetal, gases de pirolisis, pellets, etanol, metanol, entre otros (FAO 2004).

b) Combustibles de madera indirectos Los combustibles de madera indirectos son subproductos industriales derivados de industrias primarias de la madera (aserraderos, fábricas de tableros de partículas y plantas de fabricación de pasta de papel) y secundarias (ebanistería y carpintería), tales como residuos del aserrado, costeros, restos del canteado y el escuadrado, serrín, virutas y astillas, licor negro, etcétera. Este tipo de combustibles se queman directamente o se transforman en otro combustible como, por ejemplo, carbón vegetal, gases de pirolisis, pellets, etanol, metanol, etcétera (FAO 2004).

c) Combustibles de madera recuperados Los combustibles de madera recuperados están conformados por biomasa leñosa derivada de todas las actividades económicas y sociales ajenas al sector forestal; generalmente, esta biomasa leñosa proviene de desechos de la construcción, demolición de edificios, bandejas de carga, cajas de madera y otros que se queman tal cual están o se transforman en astillas, pellets, briquetas o polvo (FAO 2004).

64 PREMIO ODEBRECHT 2013

2.2. DENDROENERGÍA La dendroenergía hace referencia a la energía obtenida de dendrocombustibles (FAO 2004). Los productos que se han de considerar al contabilizar la dendroenergía son los siguientes:

a) Leña Incluye la madera en bruto en piezas pequeñas (leña), astillas, pellets y/o polvo derivados de los bosques y árboles aislados, así como los subproductos de la industria de la madera y los productos leñosos recuperados. Conservan la estructura original básica de la madera y se pueden utilizar directamente o después de haber sido transformados en otro combustible de madera como el carbón vegetal. Cuando es necesario, la leña se puede preparar en productos más adecuados como, por ejemplo, astillas y pellets, sin necesidad de realizar transformaciones físico-químicas importantes (FAO 2004).

b) Astillas Madera en bruto reducida deliberadamente a piezas de menor tamaño, o residuos adecuados para fines energéticos (FAO 2004).

c) Pellets de madera Pueden considerarse un combustible derivado de la autoaglomeración de material leñoso como resultado de una aplicación combinada de calor y alta presión en una máquina de extrusión (FAO 2004).

d) Carbón vegetal Residuo sólido derivado de la carbonización, destilación, pirolisis y torrefacción de la

madera (de troncos y ramas de árboles) y de subproductos de la madera al utilizar sistemas continuos o discontinuos (hornos de pozo, ladrillo y metal). Incluye las briquetas de carbón vegetal (FAO 2004).

e) Briquetas de carbón vegetal Producidas con carbón vegetal que, una vez triturado y secado, se moldea (generalmente a alta presión) con la adición de aglutinantes para formar piezas uniformes (FAO 2004).

f) Licor negro Licor alcalino obtenido de los digestores empleados para producir pasta al sulfato o a la soda durante el proceso de producción de papel en el que el contenido de energía deriva principalmente del contenido de lignina extraído de la madera en el proceso de elaboración de la pasta (FAO 2004).

Particularmente, su alta densidad energética y uniformidad han promovido la base para un relativamente nuevo y prometedor mercado de pellets (Bergman 2005a). A pesar del desarrollo del mercado de pellets en la última década, las investigaciones continúan con la finalidad de mejorar las propiedades de los pellets relacionadas con la durabilidad y degradación biológica. La durabilidad de pellets puede interpretarse como la resistencia contra el agua, la humedad absorbida y la resistencia mecánica contra la compresión. Generalmente, cuando los pellets son expuestos al agua, la nieve y la humedad, tienden rápidamente a abultarse y desintegrarse en sus partículas originales (volumen y densidad original antes del pelletizado). Para prevenir esto, se deben almacenar y condicionar en un lugar seco. Adicionalmente, se deben tomar precauciones en el transporte y manipuleo. (Alakangas y Paju 2002).

g) Otros combustibles de madera Esta categoría incluye una amplia gama de combustibles líquidos y gaseosos derivados de la leña y el carbón vegetal, en general mediante procesos pirolíticos o enzimáticos, como gases de pirólisis, etanol, metanol, productos de interés creciente, pero que por el momento no tienen la misma importancia como los productos energéticos (FAO 2004). 2.3. PELLETS DE BIOMASA LEÑOSA Los pellets de madera ofrecen mayores propiedades atractivas en comparación con los residuos leñosos sin procesar (astillas, aserrín, etcétera). El alto poder calorífico y la reducción de costos de almacenado, trasporte y manipuleo hacen de los pellets de madera en muchos casos el dendrocombustible superior.

La probabilidad de degradación biológica decrece después del pelletizado, pero aún puede ocurrir. Al aumentar la humedad puede existir crecimiento de hongos, lo cual afecta las propiedades del pellet dramáticamente. La durabilidad y las variaciones en la uniformidad decrecen especialmente debido a los cambios biológicos, físicos y químicos (Lehtikangas 1999). Al consistir el pelletizado básicamente en una operación física, la calidad de la biomasa de alimentación es crucial para alcanzar un estándar de calidad. La uniformidad de pellets es difícil de establecer debido a la diferencia entre maderas duras y maderas suaves, entre las especies y entre las diferentes partes del árbol, sin mencionar otras variables como el clima, la estación, el período de almacenado y las condiciones de almacenado (Lehtikangas 1999).

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 65

Bergman (2005a) menciona que el aserrín y los restos de aserrado son la biomasa de alimentación más común debido a su uniformidad. Además, la madera suave es preferida sobre la madera dura debido a que el contenido de lignina en la madera suave es mayor. La lignina actúa como agente aglutinante. A mayor cantidad de lignina, mayor será la calidad del pellet.

CUADRO 1 Componentes de la biomasa leñosa

Celulosa

55 - 65

Hemicelulosa

10 - 20

Lignina

20 - 30

Extractivos y otros

10 - 20

Cenizas

0,1 - 0,5

2.4. LA BIOMASA LEÑOSA El término biomasa leñosa hace referencia a la biomasa que se obtiene de árboles, arbustos y matorrales (FAO 2004). La composición química de la biomasa leñosa está conformada principalmente por tres grupos de polímeros orgánicos: celulosa, hemicelulosa y lignina, los cuales en conjunto se conocen como la fracción de lignocelulosa. La distribución de estos tres componentes se aprecia en el Cuadro 1.

Biomasa leñosa

Componente

Fuente: Fernández (2006: 14).

Bergman (2005c) mencionan lo descrito por Wagenführ (1974) brindando una información más detallada de los polímeros que componen la biomasa leñosa, ya que estos variarán entre tipo y tipo de madera. Los porcentajes se establecieron dividiendo la biomasa leñosa en madera caducifolia (madera dura) y madera conífera (madera blanda).

CUADRO 2. Polímeros de madera caducifolia y conífera

Polímero

Caducifolia

Conífera

Celulosa (wt %)

18 - 25

25 - 35

Hemicelulosa (wt %)

40 - 44

Lignina (wt %)

15 - 35

20 - 32

Composición hemicelulosa

Caducifolia

Conífera

80 - 90

5 - 15

4-O methyl glucuronoarabinoxylan (wt %)

15 - 30

Glucomannan (wt %)

1-5

60 - 70

Galactoglucomannan (wt %)

1-5

Arabinogalactan (wt %)

15 - 30

Otros polisacaricos de galactosa (wt %)

Pectina (wt %)

1-5

4-O methyl glucuronoxylan (wt %)

Fuente: Bergman (2005c: 15).

66 PREMIO ODEBRECHT 2013

En el Cuadro 2 se puede observar que la madera procedente de coníferas presenta un mayor contenido de lignina en comparación con la madera procedente de caducifolias. Otra diferencia entre ambas es la composición de la fracción de hemicelulosa, ya que en la caducifolia predomina la xilosa; mientras que en la conífera predomina la manosa. Cabe añadir que todas estas diferencias tendrán un impacto en procesos como la torrefacción (Bergman 2005c).

GRÁFICO 1 Balance de masa y energía en torrefacción Gases torrefacción Biomasa 1M

0.3M

Torrefacción 250-300 °C

0.1E

Biomasa torrefactada 0.7M

0.9E

E: unidad de energía M: unidad de masa Fuente: Bergman (2005a: 12).

2.5. TORREFACCIÓN La torrefacción es una operación termoquímica a la que se somete a la biomasa a temperaturas variables entre 200 °C y 300 °C en condiciones atmosféricas y en un ambiente ausente de oxígeno. Adicionalmente, se caracteriza por bajas velocidades de calentamiento para alcanzar la temperatura de torrefacción (menores a 50 °C/min) (Bergman 2005a). El producto resultante de la torrefacción presenta mejores propiedades como dendrocombustible: mayor poder calorífico, más hidrófobo en comparación con la biomasa sin torrefactar, menos resistencia a la molienda y ausencia de desarrollo de actividad microbiana capaz de degradarlo (Bergman 2005a). El Gráfico 1 muestra el balance de masa y energía en la torrefacción realizado por Bioenergía (2000) y descrito por Bergman (2005a). Se observa que la biomasa torrefactada puede llegar a contener el 90 % de la energía inicial en el 70 % de la masa inicial. El 30 % de masa restante la conforman compuestos volátiles y gases que contienen el 10 % de energía inicial. Como resultado de lo observado, se aprecia una densificación energética en el dendrocombustible obtenido.

2.5.1. Rendimiento de masa y energía Considerando la composición macro de la biomasa, podemos expresarla en función de agua, materia orgánica y cenizas. La parte orgánica de la biomasa contiene toda la energía química, y durante la torrefacción parte de la energía se retira como productos de reacción. Por lo tanto, la definición de rendimiento de masa (Ecuación 1) y rendimiento energético (Ecuación 2) se expresan sobre la base orgánica en base seca y libre de cenizas (dry and ash-free basis) (daf) (Bergman 2005b).

Ecuación 1

Ecuación 2

En la primera ecuación, mchar es la masa del producto torrefactado en base seca y libre de cenizas; mfeed es la masa en base seca y libre de cenizas del producto de

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 67

En la segunda ecuación se hace uso del poder calorífico inferior (LHV), aunque también puede emplearse el poder calorífico superior (HHV). Sin embargo, el valor LHV representa la cantidad de energía utilizable efectivamente a partir de la biomasa, y se utiliza generalmente en la evaluación de muchas aplicaciones (Bergman 2005b). En este punto, la diferencia entre LHV y HHV se definirá en breve para que no haya malentendidos posibles durante la lectura de este proyecto. La biomasa leñosa en base seca contiene hidrogeno, por lo cual se formará agua como uno de los productos de la combustión. El poder calorífico inferior (LHV) considera que el vapor de agua contenido en los gases de la combustión no condensa; por lo tanto, no hay aporte energético adicional de calor por condensación del vapor de agua. Por otro lado, el poder calorífico superior (HHV) considera la condensación de agua contenida en los gases de combustión, por lo cual existe un aporte energético adicional. El poder calorífico de un combustible puede medirse mediante un análisis químico de acuerdo con la fórmula de Dulong o con la ayuda de calorímetros con bomba en el laboratorio (Schorr y otros 2012).

Donde: C: Cantidad centesimal de carbono en peso por kilogramo combustible H: Cantidad centesimal de hidrógeno total en peso por kilogramo de combustible O: Cantidad centesimal de oxígeno en peso por kilogramo combustible S: Cantidad centesimal de azufre en peso por kilogramo combustible El contenido de agua de la biomasa leñosa influirá en el poder calorífico en mayor medida que el tipo mismo de biomasa leñosa (madera caducifolia o madera conífera). Como consecuencia de ello, una comparación significativa de los diferentes tipos de madera como biocombustible requiere valores de poder calorífico en base seca (Schorr y otros 2012). Existe una correlación lineal entre el poder calorífico y el contenido de agua como se muestra a continuación en el Gráfico 2. GRÁFICO 2 Correlación lineal entre el valor calórico y el contenido de agua en base húmeda

MJ/Kg 20 Poder calorífico

alimentación; LHVchar es el poder calorífico inferior del producto torrefactado en base seca y libre de cenizas; y LHVfeed es el poder calorífico inferior del producto de alimentación en base seca y libre de cenizas. (Bergman 2005b).

HHV LHV

10 5 0

30 40 50 60 Contenido agua

Fuente: Schorr y otros (2012: 13). LHV = 8.140 x C + 29.000 x (H - O/ 8) + 2.220 x S Fórmula de Dulong: Poder calorífico inferior (LHV) de un combustible seco

68 PREMIO ODEBRECHT 2013

90 %

2.5.2. Mecanismo de reacción Podemos describir la reacción termoquímica de la biomasa durante el proceso de torrefacción como la suma de descomposiciones de los tres polímeros de la lignocelulosa por influencia del calor en ausencia de oxígeno (Bergman 2005c). Como se observa en el Gráfico 3, la descomposición de la celulosa no es relevante en el rango de temperatura de torrefacción (200 °C - 300 °C). Durante la torrefacción, en gran medida, la pérdida de la masa se debe a la degradación de la hemicelulosa y, en menor medida, a la de la lignina. La hemicelulosa generalmente alcanza una máxima velocidad de descomposición entre 225 °C a 325 °C. La lignina se descompone gradualmente en el rango de temperaturas de 250 °C a 500 °C. Hay que señalar que el comportamiento de descomposición térmica de los polímeros individualmente (hemicelulosa, lignina acida y celulosa) es diferente durante su interacción en una matriz compleja como la madera (véase madera y lignina en sólido).

Di Blasi y Lanzeta (1997) propusieron un modelo cinético de descomposición de la hemicelulosa como una reacción basada en dos etapas. En el Gráfico 4 se puede observar el mecanismo de descomposición, donde A representa la hemicelulosa; B, el producto intermedio que resulta de la modificación estructural de azúcares como resultado de la despolimerización, buscando que se forme a temperaturas por debajo de los 250 °C; y C, el producto torrefactado. V1 y V2 son los gases y volátiles que se forman a partir de A y a partir de B, respectivamente. Las energías de activación kv1 y kv2 son mayores que k1 y k2, respectivamente, lo que significa que a mayor temperatura de torrefacción se favorece la formación de los compuestos gaseosos (Bergman 2005c). GRÁFICO 4 Modelo descomposición hemicelulosa empleando la ecuación de Arrhenius

GRÁFICO 3 Termogravimétria de la madera de algodón y sus polímeros

KV2

KV1 K2

Fuente: Bergman (2005c: 29).

Las líneas celestes indican el rango de temperaturas del proceso de torrefacción.

Koukios y otros (1982) también describieron el régimen de descomposición de los tres componentes principales de la lignocelulosa en función de la temperatura, el cual se muestra en el Gráfico 5.

Fuente: Bergman (2005c: 16).

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 69

GRÁFICO 5 Régimen de descomposición lignocelulosa en función de la temperatura

Región E: Carbonización y extensa desgasificación Región D: Despolimerización, volatilización limitada y carbonización Región C: Inicio de despolimerización Fuente: Bergman (2005b: 14).

Bergman (2005c) realizó un análisis termogravimétrico (TGA) con el que pudo representar la pérdida de masa versus la temperatura en gráficas TGA, y la variación de la masa por unidad de tiempo versus la temperatura en gráficas DTG (análisis termogravimétrico diferencial). En función a este análisis TGA y basándose en la reacción de dos etapas desarrolladas por Di Blasi y Lanzeta (1997), obtuvo valores determinados para las constantes de reacción k0 y EACT, determinando que la primera etapa de descomposición es más explosiva. Dentro de este período, a 230 °C más del 45 % de la parte reactiva de la biomasa A se convierte en productos de reacción intermedios (B). A 250 °C, la conversión es aproximadamente el 75 %; y a 270 °C, incluso superior al 90 %. En contraste con esto, después de un tiempo de reacción de 30 minutos a 270 °C, apenas 1 % de A se convierte en C, lo que nos lleva a determinar que después de 30 minutos el proceso se vuelve ineficiente.

70 PREMIO ODEBRECHT 2013

2.5.3. Productos de reacción Como resultado del proceso de torrefacción se obtienen productos gaseosos, vapores y un producto sólido (dendrocombustible). De los vapores que se generan durante la torrefacción, el principal es el agua, y se produce en dos etapas diferentes: la primera durante el secado, y la segunda durante la despolimerización de los polímeros. Además del agua, también se obtienen una serie de compuestos condensables, tales como: formaldehido, ácido acético, ácido fórmico, acetona, metanol y trazas de fenol, furfural y amoniaco. Asimismo, se producen gases como el dióxido de carbono y el monóxido de carbono. (Bergman 2005b). La diferencia entre la composición de hemicelulosa de maderas caducifolias y coníferas tendrá un impacto en la formación de vapores de torrefacción. En maderas caducifolias predominará la formación de ácido acético y metanol; y en maderas coníferas, la formación de ácido fórmico (Bergman 2005c). 2.5.4. Etapas de la torrefacción Para Bergman (2005b) las dificultades al interpretar el proceso de torrefacción se basan en determinar el tiempo de torrefacción. El tiempo de residencia ha sido empleado frecuentemente; sin embargo, este solo expresa el tiempo que la biomasa permanece en el reactor de torrefacción. Es decir, este tiempo no indica en qué momento el proceso de torrefacción está tomando lugar en sí mismo, teniendo en cuenta que parte del tiempo de residencia se está perdiendo en el calentamiento de la biomasa junto con el secado. Para evitar este inconveniente, se ha abandonado el término tiempo de residencia y se ha introducido el término tiempo de reacción. De este modo, Bergman (2005b)

define cinco etapas a través de las cuales la biomasa se procesa durante la torrefacción. La ventaja de definir estas etapas es que se ofrece la posibilidad de comprender mejor lo que ocurre con las partículas de biomasa a través del proceso.

esta etapa, también los compuestos volátiles como terpenos pueden volatilizarse; es decir, los primeros compuestos se someten a una transición de fase al estado gaseoso, lo que afecta el rendimiento de masa. Se llega al final de esta etapa cuando el nivel de la temperatura alcanza los 200 °C.

a) Calentamiento inicial d) Torrefacción Se define como la fase en la que la biomasa se calienta inicialmente, el calor se utiliza únicamente para aumentar la temperatura, por lo cual el fin de la fase se alcanza cuando se produce una evaporación acelerada.

b) Secado I Durante esta etapa, la temperatura de la biomasa y la velocidad de evaporación son constantes. Por lo tanto, la energía térmica de entrada al sistema se emplea por completo en la entalpía de vaporización. El final de esta etapa está marcado por el contenido crítico de agua en base seca. Como se puede ver en el Gráfico 6, el contenido de agua en base seca disminuye linealmente en la fase de secado I, pero al final de la fase la función pasa por un punto de inflexión que marca el contenido crítico de agua en base seca.

c) Secado II y calentamiento intermedio Cuando se evapora toda el agua superficial, la temperatura comienza a aumentar mientras el agua restante debe difundirse a través de los poros de la biomasa necesitando más energía y tiempo para superar las fuerzas capilares.

Siendo el núcleo de todo el proceso, esta etapa consiste en una fase de calentamiento, un período de temperatura relativamente constante y una fase de enfriamiento. Con un aumento de la temperatura de hasta 300 °C se produce la descomposición termoquímica de la biomasa, lo que da como resultado una reducción significativa de la masa y una densificación energética. El Gráfico 6 muestra el tiempo de reacción (trea), que ha sido definido como la suma del tiempo de torrefacción desde 200 °C hasta la temperatura de torrefacción establecida (ttor, h) más el tiempo que se mantiene en la temperatura de torrefacción (ttor), dejando fuera el tiempo de enfriamiento en torrefacción (ttor, c) a pesar de que pertenece al proceso mismo de torrefacción (Bergman 2005b).

e) El enfriamiento de sólidos Durante este período se ha completado el enfriamiento adicional a la temperatura final deseada. En cualquier caso, esto debe ejecutarse en ausencia de oxígeno debido a los peligros de ignición o incluso de explosión del polvo de alta reactiva que puede ocurrir durante el proceso.

Finalmente, toda el agua unida físicamente se libera poco a poco hasta que la biomasa está prácticamente libre de humedad. En

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 71

Biomass temperature [˚C]

GRÁFICO 6 Perfil temperatura - tiempo para un proceso de torrefacción batch

Ttor

Tdry

Ttor,h Ttor,c

Ttor Th , int

calentamiento inicial

secado I

secado II y calentamiento intermedio

Trea torrefacción

enfriamiento de solidos

time

La biomasa de alimentación a temperatura ambiental ingresa al reactor pasando las etapas de calentamiento inicial, secado I, secado II y calentamiento intermedio, torrefacción y enfriamiento de sólidos. La línea celeste horizontal representa la temperatura límite de torrefacción. Las líneas verticales marcan la división de cada etapa. Las líneas celestes verticales marcan la incidencia en el proceso mismo de torrefacción. También se muestra la reducción del contenido de agua. Fuente: Schorr y otros (2012: 18).

2.5.5. Tamaño de partícula Además de la temperatura y el tiempo de reacción, el tamaño de partícula es un parámetro esencial en la torrefacción de biomasa a nivel industrial. Por ende, para asegurarse el mínimo tiempo de residencia es importante cerciorarse de que la etapa que controla la cinética del proceso es la reacción química y no la conducción o convección de calor. Dos números adimensionales cobran importancia para el adecuado control de la cinética de la operación, el número de Biot (Ecuación 3), que representa el cociente entre el calor de convección y el calor de conducción, y el número designado como pirólisis externa (Ecuación 4). Donde: α : Coeficiente de transferencia de calor [Wm-2K-1] rp : Radio de la partícula, considerándola esférica [m] λ : Conductividad térmica [W m-1 K-1] k1 : Constante cinética ρ : Densidad [kg m-3] cp : Capacidad calorífica [J kg-1 K-1]

72 PREMIO ODEBRECHT 2013

El control cinético óptimo se obtiene con un valor de Biot significativamente menor que la unidad y con un valor de pirólisis externa significativamente mayor que la unidad (Prins 2005). Belderok (2007) menciona que para una partícula menor a 1,5 mm, el número de Biot es menor de 0,1. Adicionalmente, a temperaturas de torrefacción se puede alcanzar un número de pirolisis externa mayor a la unidad con tamaños de partícula iguales o menores a 12 mm. 2.5.6. Propiedades de la biomasa torrefactada

a) Análisis elemental El producto torrefactado muestra incrementos en la cantidad de carbono, un descenso en el contenido de oxígeno e hidrógeno, y la cantidad de nitrógeno se mantiene constante. El incremento de carbono generara un aumento de la capacidad calorífica del producto torrefactado. Estos cambios se observan en el Cuadro 3, donde se muestra el porcentaje de cada elemento y cenizas para diferentes temperaturas y tiempos de torrefacción. CUADRO 3 Análisis elemental y cenizas para diferentes temperaturas y tiempos de torrefacción del sauce

Sauce

Sin tratamiento

Temperatura (K) Tiempo (minutos)

Torrefacción 250 °C

300 °C

C (%)

47,2

51,3

H (%)

6,1

5,9

N (%)

45,1

40,9

O (%)

0,3

0,4

Cenizas (%)

1,3

1,5

Fuente: Prins (2005: 123).

Para comprender lo que sucede durante la torrefacción, el diagrama de Van Krevelen es una herramienta útil que permite una evaluación de mezclas orgánicas complejas como el petróleo, el carbón o la biomasa. Se muestra la cantidad relativa de los tres elementos más importantes de combustibles, que son C, H y O, en forma de la relación H / C en el eje de ordenadas y la relación O / C en el eje de abscisas. Se toma carbón como la cifra objetivo, que tiene la relación más baja de los dos

H / C - y O / C -; mientras que la biomasa de la madera no tratada tiene valores mucho más altos. Bergman (2005b) presentó los datos de varios experimentos para ver cómo reacciona la composición elemental de la madera durante la torrefacción y hacer una comparación con otros combustibles. El resultado fue que un aumento de la temperatura y/o tiempo de residencia trae las dos relaciones más cerca de las de carbón.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 73

GRÁFICO 7 Diagrama de Van Krevelen de carbón mineral, carbón vegetal, turba, madera torrefactada y madera sin tratar

TW = Madera torrefactada a temperatura determinada

Fuente: Bergman (2005b: 20).

b) Propiedades mecánicas La biomasa leñosa tiene un carácter fibroso y tenaz en su estado natural, pero durante la operación de torrefacción la degradación de la matriz de hemicelulosa y la despolimerización de la celulosa disminuyen su tenacidad y consiguen mejorar la capacidad de molienda (Bergman 2005a). Bergman (2005a) llevó a cabo estudios sobre las necesidades de energía para la molienda de biomasa en estado natural y biomasa torrefactada, y llegó a la conclusión de que el consumo de energía se reduce drásticamente cuando la biomasa es primero torrefactada. Basándose en los parámetros tiempo-temperatura a los cuales la biomasa es torrefactada, la reducción en los rangos de consumo de energía varía entre 70 % y 90 %.

c) Reducción humedad La biomasa es completamente secada durante la torrefacción. Después del proceso, la humedad absorbida es bastante limitada; varía entre 1 % a 6 % dependiendo de la condiciones de torrefacción y el tratamiento posterior del producto. La explicación del comportamiento hidrofóbico de la biomasa después de la torrefacción es la destrucción de los grupos OH, con los que la biomasa pierde la capacidad de formar puentes de hidrógeno (Bergman 2005b).

74 PREMIO ODEBRECHT 2013

2.5.7. Impacto ambiental torrefacción: caso Tor-Coal

La compañía holandesa Tor-Coal tiene una planta de torrefacción en funcionamiento que cuenta con una producción de 2 t/h. La biomasa de alimentación son astillas de madera caducifolia y conífera. La torrefacción se realiza a temperatura de 290 °C en un horno rotatorio de calentamiento indirecto (Nurminen 2012). Los impactos ambientales de la planta son casi exclusivamente las emisiones al aire. El gas producido durante la torrefacción se filtra para eliminar el polvo y luego es quemado en un incinerador. Después de la incineración, los gases de combustión están a una temperatura de 1000 °C, y el calor generado se utiliza para mantener la temperatura en el horno rotatorio de torrefacción. Los gases de combustión empleados en el calentamiento indirecto a una temperatura de aproximadamente 200 °C se utilizan para el secado de las virutas de madera no tratadas en un secador de cinta. El contenido de polvo es aproximadamente < 20 mg / Nm3, y las concentraciones de sustancias en el gas de combustión son bajas; por lo tanto, la carga para el medio ambiente es baja (Nurminen 2012). Los datos de concentración de los gases de combustión se muestran en el Cuadro 4.

CUADRO 4 Emisiones de la planta de torrefacción Tor-Coal

Medición 1: 19 de mayo 2011

Medición 2: 4 de noviembre de 2011

[mg/Nm3 seco]

kg /h

[mg/Nm3 seco]

kg /h

Polvo

1,2

0,01

2,6

0,02

6,1

0,03

0,13

NOx

255

1,44

156

1,35

SO2

0,32

0,21

0,011*

0,02

0,03

0,5

0,003

0,2

0,001

HCl

14,7

0,08

17,4

0,15

Dioxinas / furanos TOC**

Donde: *ng TEQ/Nm3 seco **Carbón orgánico total Fuente: Nurminen (2012: 19).

2.5.8. Pellets de biomasa leñosa torrefactada Los pellets de biomasa leñosa torrefactada tienen un alto poder calorífico de 20-22 MJ/kg y una alta densidad energética de > 15 GJ/m3, en comparación con el pellet de biomasa leñosa que tiene una densidad energética entre 8 y 12 GJ/m 3 (Pöyry Management Consulting 2011). El pellet de biomasa torrefactada tiene bajo contenido de azufre y cenizas en comparación con el carbón, y un mejor comportamiento de combustión en comparación con la biomasa no torrefactada. También debido a su bajo

contenido de agua y su comportamiento hidrofóbico, los costos de transporte y manejo son más bajos que los pellets de madera, al igual que su manipulación y almacenamiento a largo plazo. Las características químicas y físicas de los pellets de biomasa leñosa torrefactada están cerca a las propiedades del carbón. Por lo tanto, los pellets de biomasa torrefactada pueden emplearse como dendrocombustible junto a carbón en plantas de energía y, en consecuencia, las inversiones adicionales en tecnología se pueden evitar (Wolfgang 2012).

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 75

CUADRO 5 Comparación pellets biomasa leñosa sin torrefactar y torrefactada

Pellets biomasa leñosa

Pellets biomasa leñosa torrefactada

8 - 10 %

1-5%

17,7

20 - 22

500 - 600

750 - 850

8 - 10

15 - 18

Contenido de humedad Poder calorífico (GJ/t) Densidad aparente (kg/m3) Densidad energética (GJ/m3) Fuente: Nurminen (2012: 17).

Según Pöyry Management Consulting (2011), los costes de producción y distribución de pellets de biomasa leñosa torrefactada se dividen en tres secciones: materia prima (63 %), torrefacción y peletización (27 %), y almacenamiento y transporte (10 %). Se estima que los costos de producción son aproximadamente 50 euros/t; además de esto, se añaden los costos de la compra de materia prima y logística (Pöyry Management Consulting 2011). Según la investigación de mercado de los pellets de biomasa leñosa torrefactada, los mercados potenciales se encuentran en Europa (Karhunen y otros 2011). Debido a que la torrefacción a escala comercial es incipiente, el nivel de precios de los pellets de biomasa leñosa torrefactada no es seguro. Con el aumento del uso de

la dendroenergía, también es probable que aumente la volatilidad de su precio. Índices de precios y otros sistemas de predicción de precios que se utilizan comúnmente en el sector de la energía tradicional pueden extenderse también a los dendrocombustibles (Teräs 2012). 2.5.9. Cadena de producción de pellets de biomasa torrefactada La cadena de producción de los pellets de biomasa leñosa torrefactada normalmente parte del bosque y termina en el transporte del dendrocombustible torrefactado para el usuario final. Sin embargo, además de las etapas mencionadas, pueden haber varias operaciones adicionales que dependerán del operador (véase el Gráfico 8).

GRÁFICO 8 Cadena de producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada

Fuente: Nurminen (2012: 20).

76 PREMIO ODEBRECHT 2013

2.5.10. Energía potencial de madera en la región Ucayali La actividad forestal en Ucayali emplea un aproximado de 58 especies madereras de diferentes características tecnológicas y valores comerciales. La producción de madera en rollo extraída tiene un promedio histórico de 350 000 m3/año, lo cual representa alrededor del 25 % de la producción en el Perú. En la región Ucayali, la cadena de valor en la industria forestal comienza con la extracción y el transporte de la madera en rollo de los bosques productivos. El Instituto Nacional

de Recursos Naturales ha establecido un área de 4 089 926 ha como bosques de producción permanente, disponibles para la producción maderera, en ciclos de veinte a treinta años (Riesco y otros 2003). La mayor cantidad de residuos en la cadena de valor de la actividad forestal en Ucayali se generan en los bosques de extracción y en las plantas de transformación primaria (Riesco y otros 2003).

GRÁFICO 9 Línea de transformación primaria, materia residual y subproducto

Registro Recepción, cubicación, clasificación v marcado Línea Principal

Acondicionado

Aserrío

Canteado

Materia Prima Despuntado

Materia Residual

- Despunte Madera - Corteza

- Aserrín - Cantoneras - Madera defectuosa

Sub producto

- Leña - Carbón

- Leña - Carbón - Cantoneras - Tablillas

- Leña y carbón - Palo de escoba - Largueras - Tablillas

Cubicado y Clasificado

Fuente: Riesco y otros (2003: 58).

En general, se aprecia un uso y reciclaje mínimos de residuos en toda la cadena de valor de la madera en la región Ucayali; aunque existe tecnología disponible para la fabricación de productos a partir de los residuos de la madera, así como un mercado para la venta de estos.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 77

3. PROBLEMÁTICA

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El presente proyecto busca abordar dos problemáticas en la ciudad de Pucallpa, región Ucayali, y una problemática en la provincia de Melgar, región Puno.

a) Acumulación y quema de residuos forestales en la ciudad de Pucallpa, región Ucayali La producción de carbón, la acumulación del polvillo de madera y la quema de aserrín son un problema permanente en la zona de Manantay, San Fernando, y en el eje de la carretera Federico Basadre (Ministerio de Energía y Minas y Gobierno Regional de Ucayali 2007). E l M i n i s t e r i o d e Tr a n s p o r t e s y Comunicaciones (2005) describe la acumulación de aserrín en las orillas del río Ucayali como un pasivo ambiental que afecta la calidad del agua superficial de la zona. La Oficina Regional de Defensa Nacional, Seguridad Ciudadana y Defensa Civil del Gobierno regional de Ucayali (2010) describe que dentro de la ciudad de Pucallpa, sobre todo en el sector Manantay, se identificaron montículos de aserrín en pleno proceso de quema y suspensión de partículas de aserrín en el aire. Calvo (2007) menciona que según el inventario nacional de producción de dioxinas y furanos, la incineración de desechos de madera contribuye con el 3 %.

78 PREMIO ODEBRECHT 2013

Hay estudios que revelan que en zonas de la ciudad de Pucallpa, en temporadas de alta actividad, en los centros de transformación se supera el estándar de calidad ambiental (ECA) para partículas menores a 10 micras (Yomona 2008). Dávila (2007) menciona que el 31,08 % de todas las enfermedades de la región Ucayali corresponden al sistema respiratorio. El aserrín acumulado en los centros de transformación primaria constituye un serio problema de contaminación en los suelos en donde se deposita, y es un foco para la propagación de hongos que provocan la podredumbre de árboles moribundos o muertos con un contenido de humedad relativamente alto (Starbuck 1997). El aserrín puede causar enfermedades como asma, bronquitis crónica y otros problemas respiratorios asociados con alergias (Malström y otros 1999). Tradicionalmente se ha usado la combustión como alternativa para reducir la acumulación, pero su quema contribuye a la emisión atmosférica de más de doscientos compuestos orgánicos potencialmente peligrosos (Wolfang y otros 1998), tales como hidrocarburos aromáticos policíclicos, que son potencialmente mutagénicos y carcinogénicos (Ramdahl y Becher 1982; Claessens y otros 1987).

b) Deficiente implementación de la operación secado en las plantas de transformación primaria de madera en la ciudad de Pucallpa, Ucayali

En las plantas de transformación primaria de Pucallpa solo el 15 % de los aserraderos cuenta con hornos de secado; en consecuencia, más del 90 % de la madera que se lleva a Lima es transportada sin secar (Riesco y otros 2003; Santiago y otros 2012). Riesco y otros (2003) mencionan que el factor más importante en el diferencial de precio en una misma especie de madera es la calidad. En este sentido, el secado constituye una variable de la calidad, considerando que bajo las condiciones de humedad y temperatura amazónica bastan tres días de mal almacenaje de tablas salidas del proceso de aserrío sin pasar al proceso de secado para que el intemperismo y agentes biológicos (hongos e insectos xilófagos y hongos cromógenos) comiencen a afectar su calidad. Durante sus visitas, Riesco y otros (2003) cuantificaron las pérdidas acumuladas por intemperismo y agentes biológicos, y estimaron que en promedio corresponden a un rango entre 16 % y 18% del volumen total de madera que pasan por el patio de transformación primaria a lo largo del año. En la operación de transporte a Lima, los costos están en función al peso de la madera (soles/ kg); por ende, el contenido de humedad estará fuertemente relacionado con el costo de transporte.

Una empresa que transporta al año dos millones de pies tablares de madera tornillo estaría incurriendo en un sobrecosto de S/. 244 000 trasportando la madera con una humedad de 66 % en lugar de transportarla con una humedad de 16 % (Riesco y otros 2003). La participación del costo de transporte de Pucallpa a Lima en el precio de madera aserrada puede estar variando en un 4 % por pie tablar en especies de alto valor como la caoba; 16,3 % en especie de valor intermedio como el tornillo; o 29 % en especies de menor valor como la catahua (Riesco y otros 2003). c) Déficit de combustibles en la temporada de heladas para la cocción de alimentos y calefacción en la provincia de Melgar, región Puno Entre mayo y septiembre, el enfriamiento por radiación, típico de las regiones que se encuentran a más de 3800 m s. n. m, y la incursión de masas de aire frío y seco procedentes de la región polar, canalizadas por la cordillera de los Andes, ocasionan las heladas que se registran en gran parte de la sierra peruana. En la provincia de Melgar, región Puno, las temperaturas descienden por debajo de los 0 °C, lo cual muchas veces está asociado con precipitaciones sólidas (granizadas y nevadas). Es así que esta es una de las zonas más afectada y que ha sido priorizada junto a otras provincias del Perú por el Plan de Intervención por Heladas (Presidencia de Consejo de Ministros 2012).

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 79

La estrategia del Ministerio de Desarrollo e Inclusión Social (MIDIS) enmarcada en el Plan de Intervención para Enfrentar los Efectos de la Temporada de Heladas y Friaje (Presidencia de Consejo de Ministros 2012) consiste en planificar, ejecutar, monitorear y supervisar, a través de la Unidad Ejecutora, el Programa Nacional de Asistencia Alimentaria (PRONAA), la provisión de alimentos adecuados y de calidad a la población damnificada (5 miembros/familia) en las áreas geográficas afectadas con el fin de brindar ayuda alimentaria que permita el incremento del suministro calórico en la dieta. Los alimentos que se ha planificado entregar son en su mayoría cereales y menestras, los cuales requieren cocción para su consumo (Presidencia de Consejo de Ministros 2012). Sin embargo, este

80 PREMIO ODEBRECHT 2013

plan también menciona que la capacidad de cocción de alimentos y la oferta de material combustible (leña, bosta, otros) se ven mayormente afectados en el caso de nevadas, situación en la que podría presentarse déficit de material combustible por el período que dura el evento. Hay que tener en cuenta que, en las áreas rurales del país, la leña y la bosta son las principales fuentes de energía que utilizan las familias campesinas para cocinar diariamente sus alimentos y calentarse cuando hace frío. En la región Puno, el 47,0 % de los hogares utiliza bosta/estiércol para cocinar. Esta es la región peruana donde más se emplea bosta/ estiércol ante la escasez de leña y carbón, y los elevados precios del kerosene (Muñoz 2008; MINAM - INEI - PNUMA 2009; Bedon 2009).

4. METODOLOGÍA

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El proyecto pertenece al sector de energías renovables y analiza la síntesis del proceso de producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada en la ciudad de Pucallpa, desde la obtención de los residuos forestales de las plantas de transformación primaria de la madera hasta los consumidores finales. 4.1. PRODUCCIÓN PELLETS DE BIOMASA LEÑOSA TORREFACTADA La cadena de producción de los pellets de biomasa leñosa torrefactada consta de una serie de operaciones unitarias necesarias y por las que deben pasar los residuos

forestales para la obtención del producto final. En el Gráfico 10 se muestra el flujo de las principales operaciones representadas por cajas y las conexiones existentes entre ellas.

GRÁFICO 10 Principales operaciones unitarias para la producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada

Pellets Torrefactados

Biomasa Secado

Torrefacción

Enfriado

Densificación

Enfriado

Fuente: Adaptado de Bergman (2005a: 14).

a) Residuos forestales disponibles Los principales residuos forestales disponibles en la región Ucayali son los derivados de los bosques de extracción y los derivados de las plantas de transformación primaria. Para el desarrollo del proyecto, se desestima el uso de los residuos forestales derivados de los bosques de extracción debido a la dispersión geográfica, la complejidad logística y el costo beneficio; considerándose

únicamente los residuos derivados de las plantas de transformación primaria. Las plantas de transformación primaria de la región Ucayali se concentran mayoritariamente en la ciudad de Pucallpa; y en el 2012 aserraron un volumen de 126 619,85 m3 de madera, considerando 73 especies de explotación (Santiago y otros 2012). Riesco y otros (2003) concluyeron que los residuos forestales del aserrado

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 81

b) Plantas de transformación primarias El informe técnico Diagnóstico de la industria de primera y segunda transformación y de la cadena productiva en Pucallpa (Santiago y otros 2012) consideró que la población de primera transformación está constituida por las empresas de transformación mecánica de la madera formalmente inscritas en los registros de la Dirección Regional Sectorial de Industrias (PRODUCE), por los socios registrados en la Asociación de Productores de Ucayali (APROFU) y por los socios registrados en la Asociación de Pequeños Empresarios de la Madera (APEMED). Sin embargo, Santiago y otros (2012) mencionan que los registros no estaban actualizados, por lo cual durante el trabajo de campo se eliminaron algunas empresas no operativas y se añadieron en registros otras empresas inexistentes que se encontraban trabajando informalmente. En la toma de datos realizada por Santiago y otros (2012) se contabilizaron veinte aserraderos de transformación primaria: trece se concentran en la zona Manantay; cuatro, en la zona de la Carretera Federico

82 PREMIO ODEBRECHT 2013

Basadre; y tres, en la zona de la Hoyada (véase el Gráfico 11). GRÁFICO 11 Número de aserraderos por zona en Pucallpa

N° ASERRADEROS

(merma) en las plantas de transformación primaria fueron de 20 %, y que estuvieron conformados por 7 % de aserrín procedente del trozado inicial, y por 13 % de aserrín, viruta, madera defectuosa y otros procedentes del canteado y despuntado. La concentración geográfica de las plantas de transformación primaria en las zonas Manantay, La Hoyada y entre el kilómetro uno y doce de la carretera Federico Basadre (Santiago y otros 2012) otorga una ventaja logística para el acopio de los residuos forestales en un radio aproximado de 7 kilómetros, considerando como centro el cruce de la avenida Playwood y la carretera Federico Basadre en la ciudad de Pucallpa.

10 8 6 4

4 3

2 0

Carretera Federico Basadre

Hoyada

Manantay

ZONA

Fuente: Santiago y otros (2012: 12).

De los veinte aserraderos de transformación primaria mencionados en el informe técnico de Santiago y otros (2012), solo tres cuentan con hornos de secado. Para el desarrollo del proyecto, se plantea formar una alianza estratégica con las diecisiete plantas de transformación primaria (aserraderos) que no tienen integrada la operación de secado; sin embargo, no se descarta poder trabajar con las veinte plantas de transformación en un escenario optimista. La finalidad es crear una cadena de valor combinando recursos, donde nosotros aprovechemos su merma como biomasa de alimentación para la producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada, y ellos incrementen su competitividad integrando la operación de secado a su línea de transformación y aprovechando el calor residual producido en la planta de torrefacción.

c) Biomasa alimentación 2010, 2011 y 2012 (véase el Cuadro 6); y el índice de versatilidad más alto (véase el Cuadro 7). Estas dos variables en conjunto han permitido seleccionar ocho especies que se estima seguirán explotándose en altos volúmenes anuales, las cuales son: el tornillo, la panguana, el cachimbo, la copaiba, el huayruro, la catahua, la cumala y el shihuahuaco.

El aserrín procedente de los plantas de transformación primaria (aserraderos) se empleará como biomasa de alimentación para la producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada. Inicialmente se procedió a seleccionar las especies madereras de la región Ucayali con el mayor volumen aserrado en el

CUADRO 6 Especies seleccionadas: volumen de explotación en la región Ucayali (2010, 2011 y 2012) y participación porcentual sobre el volumen total de madera aserrada para cada año, respectivamente

Nombre común

Madera aserrada 2010 (m3)

% 2010

Madera aserrada 2011 (m3)

Madera aserrada 2012 (m3)

% 2011

% 2012

Tornillo

23 379,43

16,10

23 616,30

12,81

16 707,27

13,19

Panguana

11 871,45

8,17

10 886,41

5,91

16 595,94

13,11

Cachimbo

22 159,15

15,26

31 860,65

17,28

14 323,10

11,31

Copaiba

12 031,80

8,28

15 083,65

8,18

11 444,73

9,04

Huayruro

9 727,25

6,70

11 205,02

6,08

8 657,50

6,84

Catahua

6 501,52

4,48

11 654,35

6,32

7 053,14

5,57

Cumala

9 087,95

6,26

25 909,42

14,05

6 341,75

5,01

Shihuahuaco

3 791,81

2,61

6 023,99

3,27

3 264,75

2,58

98 550,36

67,85

136 239,79

73,90

84 388,18

66,65

Total

Fuente: Adaptado de MINAG - DGFFS (2012). Elaboración propia CUADRO 7 Especies seleccionadas e índice de versatilidad

Especie Índice de versatilidad

Tornillo Panguana Cachimbo Copaiba Huayruro Catahua Cumala Shihuahuaco

0,3

0,6

0,53

0,47

0,67

Donde: 1 es el máximo valor de versatilidad. *No existe información. Fuente: Adaptado de Riesco y otros (2003). Elaboración propia Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 83

CUADRO 8 Especies y 80 % de volumen aserrado seleccionado del 2012 Nombre común

Madera aserrada 2012 (m3)

Tornillo

16 707,27

13,19

Panguana

16 595,94

13,11

Cachimbo

14 323,10

11,31

Copaiba

11 444,73

9,04

Huayruro

8 657,50

6,84

Catahua

7 053,14

5,57

Cumala

6 341,75

5,01

Shihuahuaco

3 264,75

2,58

Otras especies

16 902,96

13,35

101 291,14

80,00

Total

Fuente: Adaptado de MINAG - DGFFS (2012). Elaboración propia

Debido a la alianza estratégica establecida con las plantas de transformación primaria (aserraderos), se estima que se tendrá acceso al aserrín derivado del 80 % de la madera aserrada anual. Para los cálculos se consideró el volumen aserrado de madera del 2012, el cual presentó el escenario más pesimista de volumen de madera aserrado en la última década (MINAG - DFFS 2012). El Cuadro 8 muestra el 80 % de madera aserrada seleccionada del 2012; incluye a las especies del Cuadro 6, Cuadro 7 y otras especies.

CUADRO 9 Especies: volumen aserrado seleccionado del 2012 y aserrín proyectado

Especie

Madera aserrada (m3)

Aserrín (m3/año)

Tornillo

16 707,27

2 004,87

Panguana

16 595,94

1 991,51

Cachimbo

14 323,10

1 718,77

Copaiba

11 444,73

1 373,37

Huayruro

8 657,50

1 038,90

Catahua

7 053,14

846,38

Cumala

6 341,75

761,01

Shihuahuaco

3 264,75

391,77

Otras especies

16 902,96

2 028,36

101 291,14

12 154,94

Total

Fuente: Adaptado de MINAG - DGFFS (2012). Elaboración propia

84 PREMIO ODEBRECHT 2013

Para el desarrollo del proyecto se consideró una merma –aserrín de 12 % sobre el volumen aserrado seleccionado del 2012–. Este 12 % contempla el 7 % de aserrín del trozado inicial mencionado por Riesco y otros (2003), y se asumió un 5 % adicional de aserrín procedente del canteado y despuntado también mencionado por Riesco y otros (2003). En el Cuadro 9 se muestra el volumen anual de aserrín proyectado según el volumen aserrado seleccionado del Cuadro 8.

Para poder realizar los balances de masas en las diferentes operaciones unitarias en el proceso de producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada, debemos determinar la masa de aserrín de alimentación. Por ello, se debe multiplicar el volumen de aserrín de cada especie por su densidad en verde (densidad que posee la madera en la planta viva). Esto se debe fundamentalmente a que la madera que llega a los aserraderos es madera recién talada y su volumen corresponde al de madera en planta viva (volumen verde). Sin embargo, la industria forestal no suele emplear la densidad en verde, por lo que no existe información detallada sobre densidad en verde de las especies del Cuadro 10. A pesar de ello, la industria forestal emplea comúnmente la densidad básica (relación entre el peso seco en estufa a 105-110 °C, y su volumen verde) ya que permite conocer la cantidad de masa en base seca del volumen verde. En el Cuadro 11 se observa la masa de aserrín en base seca de cada especie y la masa de aserrín total en base seca que asciende a 6 720 116,18 kg/año. CUADRO 10 Especies: volumen de aserrín anual proyectado, densidad básica y masa de aserrín anual proyectado en base seca

Especie

Aserrín proyectado (m3/año)

Densidad básica* (kg /m3)

Masa aserrín base seca (kg /año)

Tornillo

2 004,87

540

1 082 631,10

Panguana

1 991,51

490

975 841,27

Cachimbo

1 718,77

590

1 014 075,48

Copaiba

1 373,37

610

837 754,24

Huayruro

1 038,90

600

623 340,00

Catahua

846,38

410

347 014,49

Cumala

761,01

450

342 454,50

Shihuahuaco

391,77

870

340 839,90

2 028,36

570**

1 156 165,20

12 154,94

6 720 116,18

Otras especies Total

Donde: *Densidad básica relación entre el peso seco en estufa a 105-110 °C, y su volumen verde. ** Densidad básica promedio de las ocho especies. Elaboración propia

d) Operación de secado En la operación de secado se procederá a reducir el contenido de humedad en base seca del aserrín a 12 %. Esta humedad es recomendada por el CENER para continuar con el proceso de torrefacción.

Anteriormente se determinó que la masa total de aserrín en base seca proyectada anualmente era igual a 6 720 116,18 kg, y asumiendo que se operara 300 días del año a 24 horas día, obtenemos un flujo másico de aserrín en base seca de 933,35 kg/h.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 85

Se estima que las maderas seleccionadas tienen un promedio de humedad en base seca de 62,5 %; por tanto, el aserrín de alimentación presentará el mismo contenido de humedad inicial. Multiplicar la masa de aserrín en base seca obtenida por el porcentaje de humedad en base seca, nos permite calcular la masa de agua contenida en el aserrín de alimentación. Por lo tanto, la masa de agua contenida en el aserrín de alimentación es 538,34 kg, y la masa total será igual a 1516,69 kg (véase el Cuadro 11). CUADRO 11. Flujo masa aserrín, masa de agua y masa base seca

Aserrín: biomasa de alimentación Flujo masa total

1516,69 kg/h

Masa de agua

538.34,9 kg

Masa base seca

933,35 kg

Secado

Elaboración propia

Considerando que el secador reducirá el porcentaje humedad de 62,5 % a 12 %, el flujo másico de salida en la operación de secado será igual a 1045,35 kg/h; y la masa de agua eliminada, 471,33 kg/h (véase el Gráfico 12). GRÁFICO 12. Balance de masa operación de secado

Flujo masa alimentación 1516,69 kg/h

Flujo masa salida Secado

62,5 % HBaseSeca

1045,35 kg/h 12 % HBaseSeca

Masa agua eliminada 471,34 kg/h Elaboración propia

Para la operación de secado, los equipos más utilizados para biomasa son el secador rotatorio y el secador neumático. Para el desarrollo del proyecto, se seleccionó el secador neumático debido a su bajo costo comparado con el secador rotatorio, y considerando que el aserrín fluidizará sin problema. La capacidad del secador neumático deberá ser de 2 toneladas por hora.

86 PREMIO ODEBRECHT 2013

e) Operación de torrefacción En función a las investigaciones y datos experimentales a nivel de laboratorio y planta piloto de ECN, CENER, Andritz y Sector Project, el tiempo de reacción será de cuarenta minutos, comenzando desde 200 °C a una tasa de incremento de temperatura de 10 °C/min hasta llegar a la temperatura constante de reacción de 275 °C.

Adicionalmente, luego de que la biomasa pierda todo el contenido de agua, se estima que un 20 % de la masa de materia seca se perderá en gases de torrefacción, y el 80 % restante será el producto torrefactado (véase el Gráfico 13).

GRÁFICO 13. Balance de masa operación de torrefacción

Flujo masa alimentación 1 045,35 kg/h

Torrefacción

12 % HBaseSeca

Elaboración propia

Flujo masa salida 761,6 kg/h 2 % HBaseSeca

Masa agua eliminada

Gases torrefacción

112 kg/h

171,5 kg/h

El flujo másico de salida de la biomasa es de 761,6 kg/h con un contenido de humedad en base seca de 2 % adquirido como resultado del proceso de despolimerización. Los otros dos flujos de salida son los correspondientes al vapor de agua (112 kg/h) y a los gases de torrefacción (171,75 kg/h). Para la operación de torrefacción se requiere un reactor continuo de calentamiento directo con una capacidad de 1,5 toneladas por hora, con sistema de recirculación de gases de torrefacción para mantener las condiciones de ausencia de oxígeno.

f) Operación de enfriado De acuerdo con la información revisada, el equipo más usado para el enfriado de la biomasa leñosa torrefactada es el tornillo con chaqueta de agua, el cual enfriará

el producto al mismo tiempo que lo transporta a la tolva de alimentación para el pelletizado. La capacidad del equipo debe ser de 1 tonelada por hora, ya que la masa de entrada a la operación de enfriado será aproximadamente de 760 kg (véase el Gráfico 12).

g) Operación de pelletizado El aserrín torrefactado ingresa a la operación de pelletizado a una temperatura de 130 °C, y mediante el proceso de rozamiento y compresión la lignina de la biomasa actúa como un excelente aglutinante y favorece la cohesión de toda la masa. Al salir el producto por los orificios, será cortado por una cuchilla para obtener cilindros de 6 mm, el cual es el tamaño comercial.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 87

De acuerdo con la información revisada, el sistema más eficiente para el pelletizado es el de anillo cilíndrico. El sistema de pelletizado debe tener una capacidad de 1 tonelada por hora (considerando masa de salida de la operación de enfriado). De acuerdo con Thrän y otros (2013), el sistema debe ser capaz de generar una densificación de 1,18 a 1,2 g/cm3.

h) Operación enfriado y empacado Los pellets de biomasa leñosa torrefactada se enfriarán en una cámara de extractores de aire hasta estar cercanos a la temperatura ambiente para, finalmente, ser empacados en bolsas de polipropileno de 25 kg para el consumo doméstico y en bolsas de 1000 kg para el consumo industrial.

4.2. ANÁLISIS DEL FLUJO DE PROCESO: OPERACIONES DE TORREFACCIÓN, SECADO Y ENFRIADO A continuación se explicará el flujo de proceso relacionado con las operaciones de torrefacción, secado y enfriado en la planta productora de pellets de biomasa leñosa torrefactada (véase el Gráfico 14). GRÁFICO 14 Flujo de proceso en las operaciones de secado, torrefacción y enfriado

Aire Gas natural

Gases Combustión

Cámara combustión Gases Torrefacción

Biomasa alimentación Secado

Gases Combustión

Fuente: Bergman (2005b: 28).

88 PREMIO ODEBRECHT 2013

Gas reciclado

Torrefacción

Intercambiador calor

Vapor agua

Enfriado

Agua enfriamiento Gases Combustión

De acuerdo con la teoría revisada, el gas natural quemado en la cámara de combustión empleando aire como comburente genera gases de combustión. Los gases de combustión pasan por un intercambiador de calor donde calientan los gases de torrefacción reciclados a una temperatura de 275 °C. Los gases de torrefacción reciclados ingresarán al reactor de torrefacción para torrefactar la biomasa por contacto directo y generar la ausencia de oxígeno en esta fase del sistema. El gas de torrefacción saldrá del reactor, donde una porción se reciclará mientras la otra es dirigida a la cámara de combustión

para degradar todos los compuestos orgánicos en vapor de agua y dióxido de carbono sumándolos a los gases de combustión (véase el Gráfico 14). Los gases de combustión al salir del intercambiador de calor, se dirigen al secador y luego del secado salen con una temperatura aproximada de 110 °C. La biomasa torrefactada sale del reactor para dirigirse a la operación de enfriado donde reduce su temperatura de 270 °C a 130 °C con agua de enfriamiento, la cual sale de la operación como vapor de agua (véase el Gráfico 14).

4.3. APROVECHAMIENTO DEL CALOR RESIDUAL

Los flujos másico de agua y gases de combustión derivados de las operaciones de secado y enfriado, respectivamente, pueden emplearse en un intercambiador de calor como fuente energética para cámaras de secado de madera (véase el Gráfico 15). GRÁFICO 15. Flujo de energía en las operaciones de secado, torrefacción y enfriado

Gases combustión Agua (90 ºC)

Aire Enfriado

Agua enfriamiento (20 ºC)

Aire de secado Intercambiador calor

Cámara secado madera

Gases combustión

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 89

En la operación de enfriado, el flujo másico (m) de biomasa torrefactada (761,6 kg/h) deberá reducir su temperatura de 275 °C a 130 °C. Por lo tanto, para determinar la cantidad de calor removido se consideró el calor específico de la biomasa torrefactada = 1,6 kJ/kg* K, ∆T = 145 K y m = 761,6 kg/h. El calor removido por el agua en la operación de enfriado será aproximado a 176 691,2 KJ/h. El agua de enfriamiento ingresa a una temperatura de 20 °C y sale a una temperatura de 90 °C con flujo másico aproximado de másico de 602,5 kg/h. El flujo de gases de combustión, con una temperatura aproximada de 110 °C, resultante de la operación de secado, se sumará al agua de la operación de enfriado e ingresarán a un intercambiador de calor con la finalidad de calentar el aire de la cámara de secado de madera. 4.4. DISTRIBUCIÓN DE PELLET DE BIOMASA LEÑOSA TORREFACTADA EN LA PROVINCIA DE MELGAR, REGIÓN PUNO El dendrocombustible producido, pellets de biomasa leñosa torrefactada, beneficiará a las 936 familias (4682 pobladores) priorizadas en la zona de intervención nivel uno en la provincia de Melgar, región Puno, por el Plan de Intervención para Enfrentar los Efectos de la Temporada de Heladas y Friaje (Presidencia de Consejo de Ministros 2012). El Gobierno, mediante la campaña nacional «Medio millón de cocinas mejoradas. Por un Perú sin humo», iniciada en el 2009, benefició a 100 000 familias. Entre las zonas beneficiadas se encontró la provincia de Melgar, región Puno, por lo cual se asume que las 936 familias que intervendrán cuentan con cocinas mejoradas instaladas en sus viviendas. Muñoz (2008) estima que una familia necesita 0,0081 m 3 de leña al día para la cocción de alimentos en una cocina mejorada. Ese volumen de leña equivale a una masa de 6 kg por día. La energía suministrada por 6 kg de leña es equivalente a la energía suministrada por 4,3 kg de pellets de biomasa leñosa torrefactada.

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Se proporcionará a las 936 familias de la provincia de Melgar, región Puno, el 50 % de energía requerida diaria para la cocción de alimentos, es decir, 2,2 kg de pellets de biomasa leñosa por familia. El abastecimiento se realizará durante junio y julio, meses en los que se presentan las olas de heladas más intensas. La masa total de dendrocombustible (123,5 toneladas) se transportará hasta los Centros de Apoyo del Habitat Rural en la provincia de Melgar, región Puno, los que ejecutarán su distribución a las 936 familias priorizadas en la zona de intervención nivel uno. Cabe mencionar que los Centros de Apoyo del Hábitat Rural, también conocidos como tambos, son una estrategia implementada por el Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento. Estos servirán como almacén y centro de distribución de frazadas, prendas de abrigo, medicinas, forraje, agua segura, y como centros de capacitación para poblaciones vulnerables en programas de buenas prácticas de prevención en salud.

5. SOLUCIONES PROPUESTAS

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Las soluciones propuestas tienen repercusión en torno al ámbito ambiental, tecnológico y social. En lo concerniente al aspecto ambiental, se reducirán los residuos forestales. Estos actualmente se arrojan a las orillas del río Ucayali o se acumulan y queman, lo cual genera contaminación y afecta a la salud de la población de Pucallpa, además de producir otros impactos ambientales. Con respecto al enfoque tecnológico, se creará una relación sinérgica entre la planta productora de pellets de biomasa leñosa torrefactada y las plantas de transformación primaria, donde la primera aprovecha los residuos forestales como biomasa de alimentación, y las segundas incrementan

su competitividad integrando la operación de secado a su línea de transformación. De esta forma, las plantas de transformación primaria reducirán sus pérdidas por intemperismo y agentes biológicos (hongos e insectos xilófagos y hongos cromógenos), y reducirán los costos de transporte de Pucallpa a Lima. En cuanto al aspecto social, se obtendrá energía rural más limpia en comparación con la leña o la bosta, se diversificarán combustibles de bajo costo para poblaciones en riesgo como la provincia de Melgar, región Puno, donde debido a las precipitaciones sólidas (granizadas y nevadas) durante la temporada de friaje se genera un déficit de material combustible para la cocción de alimentos y calefacción.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 91

6. SOSTENIBILIDAD

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Se ha establecido la sostenibilidad del proyecto basándonos en los pilares del desarrollo sostenible: ambiental, social y económico.

Mediante este proyecto se convertiría un problema en oportunidad, ya que se haría más eficiente la industria forestal al generar energía para sectores con bajos recursos.

a) Viabilidad ambiental b) Viabilidad social Se optimizará el aprovechamiento de los recursos forestales logrando transformar los residuos de las plantas de transformación primaria de la madera en una materia prima de uso valorable para la producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada. Se aprovechará el calor residual proveniente de las operaciones de secado, torrefacción y enfriado como fuente energética para integrar las cámaras de secado. Los gases de torrefacción se dividen en dos fracciones: los recirculados y los que pasarán a la cámara de combustión para degradar los compuestos orgánicos en vapor de agua y dióxido de carbono, reduciendo los efectos de contaminación por emisiones. Se desea lograr lo siguiente: La disminución del desperdicio energético, con lo que disminuirá la huella de carbono de la actividad de aprovechamiento de la madera. La reducción de emisión de gases de invernadero, así como otros gases nocivos para el ambiente y la salud. La reducción de residuos sólidos generados por la actividad forestal.

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Al reducir las emisiones contaminantes por la acumulación y quema de residuos forestales, se mejorará la calidad del aire y se generará un decrecimiento en la tasa de afecciones respiratorias y otros problemas de salud relacionados con la abaja calidad del aire en la población de Pucallpa. La población rural tendrá acceso a un dendrocombustible menos contaminante en comparación con la leña o la bosta. El uso de este combustible disminuirá los problemas de salud de la población de Melgar, así como los distintos problemas generados en las épocas de mucho frío. La población de la provincia de Melgar, región Puno, tendrá acceso a material combustible –pellets de biomasa leñosa torrefacta– durante la temporada de friaje para la cocción de alimentos y calefacción. Los Centros de Apoyo del Habitat Rural en la provincia de Melgar, región Puno, serán una herramienta gubernamental imprescindible para ejecutar la distribución de la biomasa leñosa torrefactada a las 936 familias priorizadas en la zona de intervención nivel uno.

c) Viabilidad económica En el Perú, los pellets de biomasa leñosa torrefactada pueden usarse principalmente para satisfacer necesidades energéticas de las zonas rurales donde no hay acceso al gas natural u otros combustibles. A nivel industrial, el gas natural resulta ser un combustible más económico en términos de energía/costo. Sin embargo, para mantener la sostenibilidad del proyecto, parte de la producción se orientará a la exportación de pellets al mercado europeo a fin de poder solventar el componente social.

El consumo de pellets en Europa se está incrementando rápidamente a nivel industrial. En países como Suecia, Dinamarca, Alemania o Italia, el consumo es mayor a su producción; es decir, existe una demanda latente. Al comparar energías alternativas para un grupo de países europeos, puede observarse que el costo de generación de energía en euros por MW/h es menor para pellets de biomasa leñosa, con la excepción del Reino Unido y Finlandia, donde el gas natural es más económico. Así, los mercados potenciales son Suecia, Italia y Dinamarca (Maslatón y otros 2006).

Gas natural GRÁFICO 16 Costos domésticos de energías competitivas en Europa en euros/MWh

Fuel oil Pellets

80 70 60 50 40 30 20 10 0

Suecia

España

Italia

Alemania

Finlandia

Dinamarca

Austria

Fuente: Maslatón y otros (2006: 4).

El costo de la materia prima se estima que será nulo, pues forma parte de la relación sinérgica establecida entre la planta productora de pellets de biomasa leñosa torrefactada y las plantas de transformación primaria. De acuerdo con el balance de masa realizado, la planta ubicada en la ciudad de Pucallpa producirá 761,6 kg/hora de pellets de biomasa leñosa torrefactada. Considerando un funcionamiento corrido durante 7200 horas anuales (300 días) para optimizar la

eficiencia energética, la producción anual de pellets de biomasa leñosa torrefactada será igual a 5483,52 toneladas. Según Pöyry Management Consulting (2011), los costos de producción de pellets de biomasa leñosa torrefactada son aproximadamente 50 euro/tonelada, y Bergman (2005a) estima un costo de producción de 45 euro/tonelada. Considerando el dato de Pöyry Management Consulting (2011), se estimarían costos anuales de producción por 1 041 868,8 soles.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 93

El precio “EX Works” para la venta de pellets de biomasa masa leñosa según Bergman (2005a) oscila entre 150 euros/ tonelada para las plantas de cogeneración, y 185 euros/tonelada para el mercado doméstico. A la producción anual total se debe restar la cantidad anual distribuida en la provincia de Melgar, región Puno, que asciende a 123,5 toneladas, obteniendo un neto para la comercialización de 5 360,02 toneladas anuales. Se asume que se exportara el 70 % de la producción a las plantas de cogeneración a un precio de 150 euros/tonelada, y el 30 % restante se exportara para el uso doméstico a 185 euros/tonelada, obteniendo

ingresos por el monto de 860 283,21 euros. Considerando el tipo de cambio 3,85 soles/ euros, se obtiene un ingreso por ventas en soles por 3 312 090,36. La utilidad bruta anual aproximada ascendería a S/.2 270 221,2. Según la bibliografía revisada, una inversión aproximada para una planta de torrefacción con la capacidad de entre 0,5 tn/h - 1 tn/h estaría alrededor de 2,5 y 3 millones de euros. El proyecto tendrá una duración de diez años al igual que la vida útil del activo tecnológico de mayor valor: reactor de torrefacción. El TIR aproximado se encontraría entre 14 % y 19 %.

7. CONCLUSIONES

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El abastecimiento energético a partir de la biomasa leñosa torrefactada se plantea desde la óptica del desarrollo tecnológico y económico como un avance para lograr el aprovechamiento sostenible de los residuos forestales, lo cual permite desarrollar nuevas fuentes energéticas capaces de reducir la dependencia de los combustibles fósiles. La concentración geográfica de las plantas de transformación primaria en las zonas Manantay, La Hoyada y entre el kilómetro uno y doce de la carretera Federico Basadre (Santiago y otros 2012) otorgarán una ventaja logística para el acopio de los residuos forestales en un radio aproximado de 7 kilómetros, considerando como centro el cruce de la avenida Playwood y la carretera Federico Basadre. El presente proyecto sería un esfuerzo por establecer una concertación en distintos sectores a fin de generar eficiencia. La relación sinérgica entre la planta productora de pellets de biomasa leñosa torrefactada y las plantas de transformación primaria permitirá aprovechar los residuos forestales a costo cero como biomasa de alimentación y beneficiar a los aserraderos con secadores de madera integrados en nuestra planta mediante el aprovechamiento del calor residual.

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Se proporcionará a las 936 familias de la provincia de Melgar, región Puno, el 50 % de energía requerida diaria para la cocción de alimentos, es decir, 2,2 kg de pellets de biomasa leñosa por familia. El abastecimiento se realizará durante junio y julio, meses en los que se presentan las olas de heladas más intensas. En el Perú, los pellets de biomasa leñosa torrefactada pueden usarse principalmente para satisfacer necesidades energéticas de las zonas rurales donde no hay acceso al gas natural. La sostenibilidad económica del proyecto se orienta a la exportación de los pellets de biomasa leñosa torrefactada al mercado europeo, donde se emplean como dendrocombustible junto al carbón en las plantas térmicas de electricidad por cogeneración y para la calefacción doméstica mediante el uso de estufas de doble combustión. Los Centros de Apoyo del Hábitat Rural en la provincia de Melgar, región Puno, serán una herramienta gubernamental imprescindible para ejecutar la distribución de la biomasa leñosa torrefactada a las 936 familias priorizadas en la zona de intervención nivel uno.

8. CONSIDERACIONES FINALES

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// La instalación de una planta productora de pellets de biomasa leñosa torrefactada se puede plantear como una solución de desarrollo tecnológico y económico en cualquier otra región del Perú donde no exista un aprovechamiento sostenible de los residuos forestales. El desarrollo del proyecto solo consideró el aserrín como biomasa de alimentación; sin embargo, se puede evaluar el uso de virutas, corteza y restos de madera de menor tamaño. La inclusión de estos se vio imposibilitada por no encontrarse cuantificados por un autor. Cabe añadir que al incluir tamaños de residuos mayores a 12 mm se deben considerar otras operaciones unitarias relacionadas con la reducción de tamaño antes del secado y después de la torrefacción. Los costos analizados en el presente proyecto corresponden a plantas piloto ubicadas en Europa y que poseen una capacidad de producción similar a la planteada. Sin embargo, localmente, los costos de mano de obra y transporte podrían ser más bajos, lo cual incrementaría la rentabilidad del proyecto.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 95

La operación de torrefacción puede considerarse un tratamiento previo para el estudio experimental de nuevas tecnologías como la gasificación. Si bien esta propuesta no plantea solucionar los problemas energéticos y de salud en la zona de Melgar durante todo el año, sería una tarea adicional encontrar soluciones eficientes y creativas a fin de incrementar la calidad de vida en la zona permanentemente.

9. BIBLIOGRAFÍA

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Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 99

EL SISTEMA INTEGRADO COCITERMA Y EL USO DE ENERGÍA CON EMISIÓN CERO DE GASES

ALUMNOS

María Macharé Gutiérrez Rodrigo Zevallos Godínez Cristina Neyra Córdova

ASESOR

Luis Flores García Pontificia Universidad Católica del Perú

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1. INTRODUCCIÓN

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El uso del sistema integrado cociterma contribuirá a la reducción de problemas de salud, contaminación y deforestación.

Bajo un enfoque de desarrollo sostenible, la tecnología integrada e innovadora debe tener un espíritu de servicio y ser accesible a la población de modo que contribuya a un mundo mejor en el que el hombre pueda tener una mejor calidad de vida. Gracias a esta convicción, se ha identificado que los principales problemas en las poblaciones que consumen leña para cocinar están relacionados con la salud pública, la contaminación y la deforestación. Esto se ha determinado mediante la realización de una evaluación del impacto del consumo de leña en el medio ambiente del cual la población es parte. Uno de cada tres peruanos consume leña para cocinar, lo que representa aproximadamente 2 millones de familias. A pesar de la importancia de este recurso en las actividades cotidianas de la población, no se cuenta con artefactos adecuados para tal fin. Inclusive las cocinas mejoradas ofrecen un máximo de eficiencia de 40 % en el aprovechamiento del calor emitido por la leña.

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Ante esta realidad se plantea el sistema integrado cocina-terma, Cociterma, que contribuye al desarrollo sostenible en tres términos: ecológico, económico y social, los que se encuentran interrelacionados. Dicha interrelación se manifiesta a través de la aplicación de tecnologías integradas en el aprovechamiento de la energía de combustión (con un intercambiador y refractor de calor), la minimización del consumo de leña y la emisión cero de gases de combustión (a través de la neutralización del humo y principios tensoactivos). El sistema integrado cociterma puede utilizarlo toda la población que use leña como combustible, especialmente aquella población que se encuentra en situación de pobreza o pobreza extrema, la cual en el caso del Perú abarca a 3,8 millones de personas. La población en situación de pobreza y pobreza extrema se caracteriza por ser hogares que no cuentan con calefacción, que habitan en ambientes cerrados sin ventilación y que utilizan cocinas tradicionales en las que se emplea leña. Se

trata así de una población que está expuesta al humo y para la cual la disponibilidad del combustible es escasa. Para esta población, una necesidad inmediata es contar con una cocina que maximice el aprovechamiento del calor emitido por la leña, lo que reducirá notablemente el requerimiento diario de esta e impactará directamente en su economía. En el caso de la población que utiliza leña para cocinar y que no se encuentra en situación de pobreza (4,7 millones de peruanos), al utilizar Cociterma aprovecharán los beneficios de un sistema integrado (reducción en el uso de combustible y eliminación de la emisión de gases tóxicos), amigable con el medio ambiente, como parte de su compromiso frente al uso sostenible de los recursos.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 103

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 2.1. Cocina mejorada Las definiciones que se manejan para el término cocina mejorada son tan amplias que se requiere limitarlas para una mejor comprensión, pues representa el eje central de todo el sistema. Como menciona SENCICO en el Manual para la instalación de cocinas mejoradas: Es una máquina térmica que optimiza el uso de combustible de biomasa y evacúa de manera eficiente las emisiones [humo] hacia el exterior del ambiente de cocina, además de ser cómoda y de costo accesible, brindando múltiples ventajas como: menor emisión de humo al interior de la vivienda, reducción del tiempo de cocción de los alimentos ahorrando el consumo de combustible además de brindar mayor higiene y comodidad al cocinar. El sistema integrado propuesto utiliza leña como único combustible y no solo apunta a minimizar la emisión de humos, sino a neutralizarlos en su totalidad como se detalla en los objetivos. De acuerdo con Álvarez (2009) en su estudio sobre cocinas mejoradas y sobre la base de las encuestas realizadas por el Grupo de Apoyo al Sector Rural - PUCP, las comunidades rurales de Cusco y Arequipa consideran importante desarrollar un modelo de cocina

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mejorada que sea energéticamente eficiente, socialmente aceptada y de una baja emisión de gases contaminantes. Bajo estos tres pilares se puede concluir que las cocinas mejoradas buscan satisfacer las necesidades de las comunidades rurales a través de un diseño adecuado a su contexto considerando factores culturales como los recursos que suelen utilizar. 2.2. Ciclo de vida de la leña El análisis del ciclo de vida (ACV) del producto, más conocido como Life Cycle Assessment, según Sabella (2005) es un método de valoración que nació para conocer los efectos sobre los distintos componentes ambientales de un producto específico o servicio durante todo el arco temporal de su vida. Se hace referencia al conjunto de entradas, salidas y a las actividades implicadas en la producción, en el consumo/uso y en el desecho del producto considerado desde la extracción de la materia prima de la cual se constituye hasta su desecho final (llamado from cradle to grave, de la cuna a la tumba). Se define la leña como aquella madera en bruto de troncos, ramas y otras partes de árboles que se utilizan como combustible para cocinar y para la calefacción y generación de energía mediante su combustión directa (FAO 1995).

Hasta hace unos doscientos años atrás, el combustible más usado en nuestro planeta fue la madera. Recién a partir de la Revolución Industrial dejó paso a otros recursos energéticos como el carbón, especialmente en los países de Europa occidental y Norteamérica (Reyes 2000). El proceso incluido en el análisis de ciclo de vida que se describirá está catalogado como tradicional y lo componen las siguientes operaciones: Tala, volteo y trozado Recolección y apilado de madera

Según Álvarez (2009), se debe tener en cuenta que una combustión incompleta representa menos del 10 % de la energía perdida en la cocina. Es por esto que mejorar la combustión en la cocina tiene más importancia, en tanto reduce los problemas de salud a causa del humo, que aumentar la eficiencia total de la cocina. El valor térmico de la biomasa radica en su proporción de gases de combustión que se aprovecha en la cámara de combustión antes de dejarlos salir como humo. Por lo tanto, se puede decir que en la combustión no es tanto la leña que se quema, sino los gases que libera.

Transporte de tala o madera Venta

Este proceso es muy complicado, pero se puede descomponer en las siguientes etapas:

Consumo de leña Emisión calor, de gases de combustión y cenizas 2.3. La combustión En las reacciones de la combustión, la oxidación rápida de los elementos reactivos del combustible trae como consecuencia la liberación de energía al formarse los productos de la combustión. Los tres elementos más importantes en los combustibles habituales son: el carbono, el hidrógeno y el azufre. En general, el azufre contribuye poco a la energía liberada por la leña, pero es la causa de problemas importantes de contaminación y corrosión. La leña contiene dos elementos combustibles: carbono e hidrógeno. La combustión se da cuando la leña se calienta, lo cual causa que estas sustancias y sus derivados escapen en forma de gases y se mezclen con el oxígeno del aire.

La leña se calienta alrededor de los 100 °C, y el agua contenida se evapora de la leña o migra a lo largo de las fibras hacia las áreas más frías. Mientras más alto sea el contenido de humedad de la leña, mayor será esta etapa inicial, lo cual da como consecuencia la pérdida de energía. A medida que la temperatura aumenta alrededor de los 150 °C, empieza la descomposición de la leña; la salida de gases empieza y el alquitrán semilíquido empieza a aparecer; y la leña arde seguida de un fuerte olor. Esta etapa debe evitarse manteniendo una llama constante. La descomposición se hace más notable a partir de los 225 °C y alcanza un pico alrededor de los 300 °C. Sobre esta temperatura, la leña se transforma gradualmente en brasas, y los volátiles producidos por esta descomposición pueden escapar como humo o pueden recondensarse dentro de la leña lejos de la zona calentada.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 105

La transferencia de calor dentro de la leña se produce principalmente por conducción; mientras que los volátiles que salen de la zona calentada llevan una parte de calor por convección. A medida que los volátiles salen de la madera, estos se mezclan con oxígeno y alrededor de los 550 °C prenden fuego que produce una flama amarilla sobre la leña. Aunque el calor por radiación de la flama representa menos del 14 % de la energía total de la combustión, esta es importante para mantener la combustión. Una parte del calor por radiación de esta flama alcanza la leña; la calienta y fomenta su descomposición; causa que la leña suelte más volátiles que se quemarán; y se cierra así el ciclo. Por lo tanto, se puede decir que la velocidad de combustión depende de la velocidad a la cual se suelten los volátiles. Piezas muy pequeñas de leña tienen una mayor área superficial para absorber calor por radiación de la llama en comparación con las pequeñas distancias a través de las cuales el calor y los volátiles deben pasar dentro de la leña; es así que los volátiles escapan con mayor facilidad. Sucede lo contrario para piezas gruesas de leña debido a la gran masa que debe calentarse. En la ejecución de las pruebas, se observó una mayor velocidad de combustión de leños con menor área transversal en comparación con leños más gruesos. Es por esto que para el encendido se deben usar, de preferencia, trozos de leña tan pequeños como sea posible. La temperatura de la flama soltada durante la combustión está alrededor de los 800 °C y está limitada por las pérdidas de calor por radiación y por la mezcla con el aire frío del ambiente.

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A medida que los volátiles aumentan, estos reaccionan con otras moléculas volátiles formando hollín y humo, los que simultáneamente se queman a medida que estos se mezclen con el oxígeno. Si un objeto frío, tal como una olla, se coloca muy cerca del fuego, lo enfriará y detendrá la combustión de una parte de esos volátiles y dejará un denso humo negro. En términos generales, los volátiles calientes representan alrededor de 2/3 de la energía liberada del fuego de la leña. El carbón dejado atrás representa la tercera parte restante. Dado que los volátiles son liberados siempre que la leña esté caliente, al cerrar el suministro de aire se detiene solo la combustión. Aunque la intensidad del fuego se reduce, la leña sigue consumiéndose mientras esta esté caliente, liberando volátiles sin quemar como humo y dejando carbón.

a) El poder calorífico de la leña Según Álvarez (2009), el poder calorífico de la leña es de 4076 calorías/gramo, o su equivalente de 17 000 KJ/kg. De acuerdo con datos termodinámicos de combustibles, las maderas secas (8 % humedad) disipan entre 17 000 a 19 000 KJ/kg; mientras que el poder calorífico de las maderas húmedas (maderas verdes) varía según la especie y fluctúa entre 5000 KJ/kg (chopo) hasta 10 000 KJ/kg (roble). Uceda (1984) determinó el poder calorífico de 20 especies forestales de la Amazonía peruana siguiendo el método para determinar el poder de combustión de materiales sólidos. Así, concluyó que el poder calorífico superior promedio de las especies estudiadas fue de 4750 cal/g (19 800 KJ/kg).

2.4. La transferencia de calor

b) Eficiencia en la combustión de las cocinas a leña Según Torres y otros (2010), las cocinas o estufas que se usan para la cocción son tradicionales, fijas o portátiles y, a veces, tienen una chimenea. Algunas familias hacen su propia estufa de materiales locales; otras buscan el servicio de un artesano o la compran en las ferias comerciales. Generalmente, estas son simples y de baja eficiencia, pues presentan pérdidas normales entre 80 % y 95 % de energía. Aunque los usuarios tratan de mejorar las estufas, por lo general carecen de los recursos financieros y técnicos para hacerlo adecuadamente. Solís (2006) menciona que la leña continúa predominando en la estructura de consumo energético y que se utiliza principalmente en cocción, con eficiencia cercana al 10 %. Álvarez (2007) señala que las cocinas tradicionales tienen una eficiencia promedio del 10 %; mientras que la cocina mejorada diseñada en su investigación alcanza una eficiencia del 30 %. De ello se puede concluir que las cocinas tradicionales cuentan con una eficiencia promedio de 10 % en el aprovechamiento de la energía que proporciona la combustión de la leña.

El proceso de transferencia de calor en las cocinas a leña se produce mediante tres mecanismos: radiación, convección y conducción. El conjunto de estos mecanismos y la combustión determinan la eficiencia térmica de la cocina.

a) Radiación En las cocinas mejoradas, la radiación es un mecanismo importante en la transferencia de calor. Este se produce desde el lecho de combustible y las flamas del fuego hacia la olla; desde las flamas del fuego al combustible para mantener la combustión; desde el lecho de combustible y las flamas a las paredes internas de la cocina; desde las paredes internas de la cocina hacia la olla; y desde las paredes de las ollas hacia el medio ambiente. En las cocinas tres piedras, la radiación es el principal mecanismo de transferencia de calor. Mediante este mecanismo se logra una eficiencia térmica entre 17 % y 18 %. El calor emitido por radiación desde una superficie caliente (1) hacia un cuerpo de más baja temperatura (2) puede calcularse con la siguiente ecuación:

QR = σ F12 A1 ( T1 4 - T2 4) Donde: QR : Energía emitida por radiación (W) σ : Constante de Stefan-Boltzmann: 56 697 x 10-8 W/m2 K4 F12 : Factor de la forma radiante entre las superficies 1 y 2 A1 : Área de la superficie 1 (m2) T1 : Temperatura absoluta de la superficie 1 (K) T2 : Temperatura absoluta de la superficie 2, K

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 107

La transferencia de calor por radiación entre la llama del lecho de combustible y la base de la olla puede estar formulada por la ecuación de Stefan-Boltzmann, donde el factor de forma radiante F12 incluye los efectos de emisividades y geometrías relativas entre las superficies de los cuerpos. Considerando las superficies de la llama del lecho de combustible y de la base de la olla principal como dos superficies circulares concéntricas paralelas A1 y A2 con radios r1 y r2, respectivamente, y siendo L (HCAM) la distancia entre ambas, se puede determinar el factor de forma (véase el Gráfico 1). GRÁFICO 1 Factor de forma entre dos discos paralelos

Fuente: Waclaw (1985: 4).

De la fórmula se puede estimar que la transferencia de calor por radiación ganada por la olla aumenta: Aumentando el factor de forma por reducción de la distancia HCAM (para una misma relación r2/r1) entre la llama del lecho de combustible y la base de la olla. Sin embargo, la reducción de la altura puede afectar en el proceso de la combustión (inclusive hasta apagarlo) e incrementar el nivel de CO y otras emisiones de hidrocarburos. Experiencias realizadas en cocinas a leña recomiendan que la distancia de la olla al lecho de

108 PREMIO ODEBRECHT 2013

combustible no sea menor que 0,4 veces el diámetro de la olla (Accinelli 2004). Aumentando el factor de forma por incremento de la relación r 2/r 1 (para una misma distancia HCAM). Los fuegos compactos favorecen la transferencia de calor por radiación, logrando que la energía entregada por el lecho de combustible sea mejor interceptada por la base de la olla.

b) Convección La transferencia de energía por convección ocurre cuando los gases de combustión fluyen por una superficie de diferente temperatura y luego intercambian energía calorífica por conducción. Es por este mecanismo de transferencia de calor que los gases calientes producto de la combustión calientan las superficies de las ollas y las paredes internas de la cocina. La ecuación para calcular la transferencia de calor por convección (ARC 2007) puede formularse de la siguiente manera:

QCV = αC A ( TW - T∞) Donde: QCV : Flujo de energía térmica transferida por convección (W) αc : Coeficiente de convección (W m-2 K-1) A : Superficie de transmisión involucrada (m2) TW : Temperatura del fluido (en este caso gases de combustión) (K) T∞ : Temperatura de la superficie (olla) (K) De la fórmula se puede estimar que la transferencia de calor por convección ganada por la olla aumenta: Elevando la temperatura de los gases calientes. Esto se logra controlando la cantidad de aire exterior que ingresa a

la cámara de combustión y cerrando la entrada de alimentación de combustible mediante el uso de una compuerta, la cual en la realidad es poco práctica según el usuario requiera manipularla constantemente. Exponiendo tanta área A de la olla a los gases calientes como sea posible. Los gases deben fluir alrededor de la olla y entrar en contacto en toda su superficie. Aumentado el coeficiente de convección α c . Esto se logra aumentando la velocidad del flujo de gases calientes de la combustión mediante la reducción del gap; de esta forma, los gases calientes son forzados a pasar a través de un canal angosto por toda la superficie de la olla. Dado que el volumen de los gases calientes en cualquier punto es constante, la velocidad del flujo aumenta a través de un área reducida. Estudios realizados en cocinas mejoradas domésticas muestran el balance entre la eficiencia térmica de la cocina (%) y la energía aprovechada por la olla (KW) y entre el gap (mm) y la profundidad de la alojamiento de la olla en la cocina L (véase el Gráfico 2). El Gráfico 2 asume que la eficiencia térmica causada solo por mecanismo de radiación y convección en la base de la olla es 20 %, y que adicionalmente un tercio de la energía suministrada se encuentra en los gases de combustión que pasan por el gap.

GRÁFICO 2 Balance entre eficiencia térmica y energía aprovechada por la olla en función al gap y profundidad de alojamiento, dimensionadas para cocinas domésticas

Fuente: Álvarez (2009: 23).

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 109

Donde: HCAM G:: Altura del lecho de combustible a base de la olla. Esto influye en la transferencia de calor por radiación y en la calidad de la combustión. G: Distancia radial entre la superficie exterior de las ollas y la superficie interior de la cocina o gap. Este es el espacio por donde los gases de combustión abrazan en su recorrido a las superficies de las ollas. Esto influye principalmente en la eficiencia térmica y en la potencia promedio. L: Profundidad de alojamiento de la olla. Es la profundidad de olla sumergida en la cocina en contacto con los gases calientes de combustión. Esto influye principalmente en la eficiencia térmica y en la potencia promedio.

b) Conducción La transferencia de calor por conducción en las cocinas mejoradas ocurre a través de las paredes interiores de la cocina y a través de las paredes de la olla hacia su contenido. La ecuación para calcular la transferencia de calor por conducción a través de la olla puede formularse como:

QCD Donde:

k A ( T1 - T2) L

QCD : Flujo de energía térmica transferida por conducción (W) k : Coeficiente de conductividad térmica (W m-1 K-1) A : Superficie de la olla (perpendicular a la dirección del flujo de calor) (m2) T1 : Temperatura en la superficie exterior de la olla (K) T2 : Temperatura de la superficie interior de la olla (K) L : Espesor de la pared de la olla (m)

110 PREMIO ODEBRECHT 2013

De la fórmula se puede estimar que la transferencia de calor por conducción ganada por la olla aumenta: Empleando ollas de material con alto coeficiente de conductividad térmica k, como el aluminio en vez de la arcilla. Exponiendo tanta área A de la olla como sea posible a una fuente de calor, ya sea por radiación desde la llama o por convección desde los gases calientes de combustión. Incrementando la temperatura en la cámara de combustión y de los gases calientes. 2.5. Intercambiadores de calor En las industrias de proceso, la transferencia de calor entre dos fluidos casi siempre se lleva a cabo en intercambiadores de calor. El tipo más común es uno en el cual el fluido caliente y el frío no entran en contacto directo el uno con el otro, sino que están separados por una pared de tubos o una superficie plana o curva. La transferencia de calor se efectúa por convección desde el fluido caliente a la pared o la superficie de los tubos, a través de la pared de tubos o placa por conducción, y luego por convección al fluido frío.

2.6. Reacciones dE neutralización Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido (o un óxido ácido) con una base (u óxido básico); generalmente en las reacciones acuosas ácido-base se forma agua y una sal. El único caso en el cual no se forma agua es en la combinación de un óxido de un no metal con un óxido de un metal.

Un ejemplo es el producto de la reacción ácido-base del HCl con NaOH.

HCl(ac) + NaOH(ac)

NaCl(ac) + H2O(liq)

Las soluciones acuosas son buenas conductoras debido a la presencia de iones positivos y negativos; a estos compuestos se les llama electrolitos. Los compuestos iónicos que se disocian completamente se conocen como electrolitos fuertes; un ejemplo de ellos es el NaCl. Considere los siguientes ejemplos de varios tipos de reacciones de neutralización:

Óxido de metal (anhídrido básico) + ácido MgO(s) + 2HCl(ac)

agua + sal

MgCl2(ac) + H2O(l)

Óxido de metal + óxido de no metal

sal

Como se indicó anteriormente en la unidad de reacciones de combinación, estas reacciones se pueden considerar reacciones de neutralización. Puesto que el óxido del metal es un anhídrido básico, y el óxido de un no metal es un anhídrido ácido, la combinación de estos para formar la sal es realmente un tipo de reacción ácido-base. Una forma de predecir el producto formado en reacciones de este tipo es considerar qué base o hidróxido formaría el óxido de metal si estuviera en agua y qué ácido formaría el óxido del no metal si estuviera en agua. Luego, decidiendo qué sal pueden formar el ácido y la base, se determina el producto. Por ejemplo:

MgSO4(s)

MgO(s) + SO(3g) Óxido básico óxido ácido

sal

Cuando se tiene una disolución con una cantidad de ácido desconocida, dicha cantidad se puede hallar añadiendo poco a poco una base, haciendo que se neutralice la disolución. Una vez que la disolución ya esté neutralizada, como se conoce la cantidad de base que se ha añadido, se hace fácil determinar la cantidad de ácido que había en la disolución. En todos los procesos de neutralización se cumple la ley de equivalentes, donde el número de equivalentes del ácido debe ser igual al número de equivalentes de la base: N.o de equivalentes del ácido = N.o de equivalentes de la base

Los equivalentes dependen de la normalidad, que es la forma de medir las concentraciones de un soluto en un disolvente. Así se tiene que: N = N.o de equivalentes de soluto / litros de disolución

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 111

Deduciendo: N.o de equivalentes de soluto = Vdisolución Normalidad

Se denomina NA a la normalidad en la solución ácida; y NB, a la normalidad de la solución básica; así como VA y VB, al volumen de las soluciones ácidas y básicas, respectivamente:

NA VA = NB VB Esta expresión se cumple en todas las reacciones de neutralización. Esta reacción se usa para determinar la normalidad de una de las disoluciones, la ácida o la básica. Cuando se conoce la disolución con la que se neutraliza, se añade poco a poco un volumen sabido de la disolución conocida sobre la solución a estudiar, conteniendo esta un indicador para poder así observar los cambios de coloración cuando se produzca la neutralización. 2.7. Difusión de gases en líquidos

a) Principios de transferencia de masa Existen dos modos de transferencia de masa: Transferencia de masa molecular. Cuando la masa puede transferirse por medio del movimiento molecular fortuito en los fluidos (movimiento individual de las moléculas), debido a una diferencia de concentraciones. La difusión molecular puede ocurrir en sistemas de fluidos estancados o en fluidos que se están moviendo (Berrocal 2011). Transferencia de masa convectiva. Sucede cuando la masa puede transferirse debido al movimiento global del fluido. Puede ocurrir que el movimiento se efectúe en régimen laminar o turbulento. El flujo turbulento resulta del movimiento de grandes grupos de

112 PREMIO ODEBRECHT 2013

moléculas y es influido por las características dinámicas del flujo, tales como densidad, viscosidad, etcétera (Berrocal 2011). Usualmente, ambos mecanismos actúan simultáneamente. Sin embargo, uno puede ser cuantitativamente dominante y; por lo tanto, para el análisis de un problema en particular, es necesario considerar solo a dicho mecanismo. La transferencia de masa en sólidos porosos, líquidos y gases sigue el mismo principio descrito por la ley de Fick. Ley de Fick para la difusión molecular. La difusión molecular (o transporte molecular) puede definirse como la transferencia (o desplazamiento) de moléculas individuales a través de un fluido por medio de los desplazamientos individuales y desordenados de las moléculas. Se puede imaginar a las moléculas desplazándose en línea recta y cambiando su dirección al rebotar otras moléculas cuando chocan. Puesto que las moléculas se desplazan en trayectorias al azar, la difusión molecular a veces se llama también proceso con trayectoria aleatoria (Geankoplis 1995). En el Diagrama 1 se muestra esquemáticamente el proceso de difusión molecular. Se ilustra la trayectoria desordenada que la molécula A puede seguir al difundirse del punto (1) al (2) a través de las moléculas de B. Si hay un número mayor de moléculas de A cerca del punto (1) con respecto al punto (2), entonces, y puesto que las moléculas se difunden desordenadamente, en ambas direcciones habrá más moléculas de A difundiéndose de (1) a (2) que de (2) a (1). La difusión neta de A va de una región de alta concentración a otra de baja concentración (Geankoplis 1995).

DIAGRAMA 1 Diagrama esquemático del proceso de difusión molecular (2) A

B B

(1) B Fuente: Geankoplis (1995: 428).

La teoría cinético-molecular de los líquidos está mucho menos desarrollada que la de los gases. Por esta razón, la mayor parte de los conocimientos referente a las propiedades de transporte se han obtenido experimentalmente. Se han elaborado varias teorías y modelos, pero los resultados de las ecuaciones obtenidas aún presentan desviaciones notables con respecto a los datos experimentales. En la difusión de líquidos, una de las diferencias más notorias con la difusión en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentración de los componentes que se difunden (Geankoplis 1995).

b) Difusión molecular Es el mecanismo de transferencia de masa en fluidos estancados o en fluidos que están en movimiento, únicamente mediante flujo laminar, aun cuando siempre está presente hasta el flujo turbulento muy intenso (Treybal 1998).

c) Difusión molecular en líquidos La velocidad de difusión molecular en líquidos es mucho menor que en gases. Las moléculas de un líquido están muy cercanas entre sí en comparación con las de un gas; la densidad y la resistencia a la difusión de un líquido son mucho mayores; por tanto, las moléculas de A que se difunden chocarán con las moléculas de B con más frecuencia y se difundirán con mayor lentitud que en los gases. Debido a esta proximidad de las moléculas, las fuerzas de atracción entre ellas tienen un efecto importante sobre la difusión. En general, el coeficiente de difusión de un gas es de un orden de magnitud de unas 10 veces mayor que un líquido (Geankoplis 1995).

La difusión de solutos en líquidos es muy importante en muchos procesos industriales, en especial en las operaciones de separación, como extracción líquido-líquido o extracción con disolventes, en la absorción de gases y en la destilación. La difusión en líquidos también es frecuente en la naturaleza, como en los casos de oxigenación de ríos y lagos y la difusión de sales en la sangre. En la difusión en líquidos, una de las diferencias más notorias con la difusión en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentración de los componentes que se difunden. La difusión es una consecuencia del movimiento continuo y elástico de las moléculas gaseosas. Gases diferentes tienen distintas velocidades de difusión. Según Geankoplis (1995), el modelo que más se ajusta a la difusión molecular de un gas en un líquido estacionario, sin contradifusión equimolar es:

DAB

( CA1 - CA2 ) Z1 - Z 2

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 113

Donde: NA : Flujo específico de A en kg mol A / s m2 DAB: Es la difusividad de A en B en m2/s CA1 : Concentración de A en el punto 1, previo a la difusión CA2 : Concentración de A en el punto 2, en el medio de difusión; en kg mol de A / m3 Z1 - Z2 : Diferencia de altura en m. del gas próximo al medio de difusión o el espesor de la película de soluto sobre el medio de difusión; m 2.8. Tensoactivos Los tensoactivos son sustancias que influyen en la tensión superficial de un líquido facilitando la mezcla de dos líquidos, miscibles o no, o la mezcla de un gas en un líquido. Un compuesto tensoactivo incrementa la difusividad de un gas en un líquido pues interactúa con las moléculas del líquido creando espacios moleculares (canales) que puede ocuparlos el gas que se difunde. El CO2 contenido en el humo es, por muchas razones, el más importante de los anhídridos de los ácidos carbónicos. El CO2 es un gas incoloro inodoro e insípido. Es más denso que el aire y puede licuarse a temperatura ambiente. Es bastante soluble en H 2O y forma una pequeña extensión de ácido carbónico. La presencia de emulsionantes o tensoactivos en el agua incrementan la solubilidad del CO2 en este. El CO 2 se usa para preparar bebidas efervescentes. Se consume en grandes cantidades en la fabricación de bicarbonato de sodio NaHCO 3 y carbonato sódico Na2CO2•10H2O. El CO2 puro no solo extingue la flama del fuego, sino que una pequeña

114 PREMIO ODEBRECHT 2013

proporción (5 %-10 %) hace inservible al aire para sostener la combustión; por ello, algunos extintores de CO 2 tienen bicarbonato sódico y ácido sulfúrico. 2.9. Gases de efecto invernadero Ordóñez (1999) cita a diferentes autores (Schneider 1989; Houghton y Woodwell 1989; Godie 1990; Dixon y otros 1994; Masera 1999), quienes afirman que el dióxido de carbono (CO2) es el principal gas de efecto invernadero. Asimismo, López y otros (2006) señalan que otros gases con concentraciones menores producen el mismo efecto, como: metano (CH4), óxido nitroso (N 2O), clorofluocarbono (CFC), óxido de nitrógeno (NOx), compuestos orgánicos volátiles diferentes al metano (COVDM), ozono (O3) y el mismo vapor de agua.

a) Dióxido de carbono (CO2 ) El dióxido de carbono es responsable de cerca de un tercio del efecto de invernadero natural. A nivel global se ha observado que desde el comienzo de la era industrial se viene presentando un continuo incremento de su concentración en la atmósfera debido a las actividades antropogénicas. La concentración de CO2 en la atmósfera terrestre ha aumentado en un 30 % debido, principalmente, al uso de combustibles fósiles (Inventario preliminar de gases de efecto invernadero - Colombia 1990, citado por López y otros 2006).

b) Óxido nitroso (N2O) El óxido nitroso es otro gas que contribuye a la absorción en infrarrojo y, por tanto, al efecto invernadero. De acuerdo con la Organización Meteorológica Mundial (WMO), la concentración atmosférica de

N2O es hoy un 8 % mayor que la de la era preindustrial. El óxido nitroso tiene una capacidad 310 veces superior que la del CO2 para atrapar calor en la atmósfera en un horizonte de tiempo de 100 años, y su tasa de acumulación atmosférica está entre 0,2 % y 0,3 % por año (Inventario preliminar de gases de efecto invernadero - Colombia 1990).

c) Óxido de nitrógeno (NOx ) Debido a los efectos directos de acidificación que se producen en la atmósfera y al papel que desempeñan en la formación de ozono los óxidos de nitrógeno, han sido de interés permanente en el diseño de políticas ambientales en la mayor parte de las naciones. Los NOx, al igual que el monóxido de carbono, se generan por combustión incompleta (Inventario preliminar de gases de efecto invernadero - Colombia 1990).

2.10. Monóxido de carbono (CO) y compuestos orgánicos volátiles distintos al metano (COVDM) El monóxido de carbono y los COVDM son compuestos gaseosos que se emiten en pequeñas cantidades debido a la combustión incompleta. Su contribución a la formación del esmog urbano ha sido objeto de políticas de control de emisión en algunos países. El impacto de estos gases en el clima global es indirecto. Su papel como precursores del ozono troposférico es su efecto más importante. Así, ellos contribuyen a la formación de ozono y alteran los tiempos de vida media de otros gases de efecto invernadero (Inventario preliminar de gases de efecto invernadero - Colombia 1990).

3. PROBLEMÁTICA

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// En la actualidad, el Perú tiene una población de 30 475 000 habitantes (INEI 2013), de los cuales 8,5 millones de peruanos consumen leña a diario para cocinar y donde 3,8 millones de personas se encuentran en

situación de pobreza y pobreza extrema. A continuación, en el Diagrama 2 se muestran los tipos de usuarios que consumen leña actualmente.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 115

DIAGRAMA 2 Diagrama de distribución de los consumidores de leña en el Perú 30,5 millones de peruanos

22,7 millones de peruanos no pobres

4,72 millones de usuarios de leña

17,98 millones de usuarios de otro combustible

6 millones de peruanos pobres

3,42 millones de usuarios de otro combustible

1,8 millones de peruanos pobres extremos

2,58 millones de usuarios de leña

1,2 millones de usuarios de leña

0,6 millones de usuarios de otro combustible

3,78 de usuarios de leña son pobres y pobres extremos

Elaboración propia

El consumo de leña en la región andina genera un alto grado de contaminación ambiental a lo largo de su ciclo de vida. Esto se hace notar de diversas formas como, por ejemplo, la presencia de partículas finas o de muchos otros componentes tóxicos que resultan nocivos para la salud. Como mencionó Smith (2011) en su conferencia presentada en el seminario «Uso de Leña: Implicaciones en Salud y Clima», en Chile y en otros países de zonas templadas de ambos hemisferios, donde la madera se usa como calefacción en un alto porcentaje de los hogares durante el invierno, la contaminación externa puede alcanzar niveles que producen graves impactos en la salud, de lo cual existe una creciente conciencia. Por ejemplo, en algunas ciudades chilenas, sobre todo en aquellas situadas en el sur del país, las cardiopatías

116 PREMIO ODEBRECHT 2013

8,5 millones de peruanos consumen leña

pueden aumentar hasta en un 50 % como consecuencia de la contaminación del aire. Se nota entonces que los problemas relacionados con el uso de leña están directamente asociados con la generación y mala manipulación de gases de combustión debido a la contaminación que se produce al cocinar. Para determinar con mayor detalle el impacto ambiental de la leña que se utiliza para cocinar, se desarrolla un análisis del ciclo de vida de esta. En primer lugar, se realiza un análisis cualitativo de aspectos e impactos. Posteriormente, se desarrolla una matriz de valoración y calificación de impactos ambientales, con la cual se determinan aquellos que son significativos. Así se da prioridad a dichos impactos.

CUADRO 1 Identificación de componentes ambientales susceptibles de recibir impactos por el uso de la leña como combustible

Ciclo de vida de la leña

Categoría ambiental

Componente ambiental

Agua

Aspecto ambiental Reducción de la capacidad para retener el agua de lluvia en los cursos de agua y las cuencas hidrográficas Contaminación del agua por la lluvia ácida

1. Búsqueda de leña

Partículas en suspensión y gases de combustión en ambientes cerrados

Medio físico Aire

2. Extracción, recolección y traslado de leña

Dispersión de CO2, humo

3. Uso de leña para cocción de alimentos

Emisiones de CO2 a la atmósfera Paisaje

4. Exposición a gases emitidos en el proceso de combustión 5. Residuos generados por el consumo de leña como combustible

Compuestos volátiles

Suelo

Calidad del suelo, no retención de nutrientes por lavado de suelos

Flora

Deforestación

Fauna

Extinción y migración de especies

Medio biológico

Salud y seguridad alimentaria Social Medio socioeconómico y cultural

Conflictos socioambientales Creación de empleo

Económico Prestación de servicios Migración Interés humano Alteración del paisaje

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 117

CUADRO 2 Identificación de impactos ambientales que afectan a lo largo del ciclo de vida de la leña

3. Uso de leña para cocción de alimentos

4. Exposición a gases emitidos en el proceso de combustión 5. Residuos generados por el consumo de leña como combustible

Elaboración propia

118 PREMIO ODEBRECHT 2013

x x

Interés humano

Alteración del paisaje

Conflictos socioambientales

Salud y seguridad alimentaria

Calidad del suelo, no retención de nutrientes por lavado de suelos

Económico

Migración

Social

Prestación de servicios

Extinción y migración de especies

2. Extracción, recolección y traslado de leña

Flora Fauna

Deforestación

1. Búsqueda de leña

Paisaje

Emisiones de CO2

Suelo

Compuestos volátiles Dispersión de CO2, humo

Partículas en suspensión y gases en combustión en interiores

Aire

Contaminación del agua por la lluvia ácida

Actividades del ciclo de vida

Reducción de la capacidad para retener el agua de lluvia en las cuencas hidrográficas

Agua

Socioeconómico y cultural

Creación de empleo

Medio biológico

Medio físico

Para poder realizar el análisis cuantitativo, se desarrolla la valoración de la frecuencia, gravedad y pérdida de control, la cual se realizó a través de una entrevista personal al ingeniero Vladimir Pautrat Oyarzún (2013). CUADRO 3 Tabla de valoración para la frecuencia, gravedad y pérdida de control para el uso de la leña

Frecuencia Clasificación

Descripción

Valor

Situación esporádica (menos vez/mes)

El aspecto aparece esporádicamente.

> 1 vez/mes

El aspecto aparece en forma muy puntual.

> 1 vez/semana

El aspecto aparece de forma puntual durante una semana.

> 1 vez/día

El aspecto aparece de forma puntual durante una jornada.

Continuamente

El aspecto aparece en forma continuada.

Gravedad Descripción

Valor

Nulo

Impacto limitado y localizado para el medio ambiente.

Leve

Impacto con consecuencias leves y efectos más generalizados que el anterior.

Moderado

Impacto inherente a los procesos de la actividad en mención con efectos considerables.

Grave

Impacto de gravedad debido a la toxicidad o cantidad de contaminación emitida.

Muy grave

Impacto crítico para el desarrollo de los ecosistemas.

Clasificación

Pérdida de control Clasificación

Descripción

Valor

Muy baja

Se puede solucionar fácilmente.

Baja

Se necesita realizar una operación con cierto cuidado.

Media

Se puede perder el control de una parte del aspecto.

Alta

Se puede perder fácilmente todo el control.

Muy alta

Gran dificultad para el control de las operaciones.

Elaboración propia Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 119

CUADRO 4 Matriz de valoración y calificación de impactos ambientales generados por el consumo de leña en cocinas tradicionales

Frecuencia

Gravedad

Pérdida de control

Valoración

Flora

Deforestación

Fauna

Migración y extinción de especies

Contaminación del aire por partículas en suspensión y gases en combustión en interiores

Sí

Emisiones y dispersión de CO2 a la atmósfera

Sí

Paisaje

Alteración de las características del suelo

Sí

Cuencas hidrográficas secas

Generación de lluvia ácida

Riesgos de enfermedades y quemaduras

Sí

Generación de empleo directo e indirecto

Alteración de la percepción visual

Migración

Abandono de tierras y centros poblados

Conflictos socioambientales

Desequilibrio del medio por el hombre

Sí

Prestación de servicios

Pérdida de oportunidades para brindar servicios ambientales

Componente ambiental

Calidad de aire

Calidad de suelo

Calidad del agua Salud y seguridad Empleo Alteración del paisaje

Impacto ambiental

*IPR: Índice de prioridad de riesgos Elaboración propia

120 PREMIO ODEBRECHT 2013

IPR*

¿Es significativo?

3.1. Análisis de los cinco impactos significativos hallados por el uso de la leña como combustible

a) Contaminación del aire por las partículas en suspensión de los gases de combustión en ambientes cerrados El humo de la combustión de la leña es una de las principales causas de muerte tanto en Perú como en los países más pobres del mundo. Al enfocarnos en nuestro país, se puede observar que la región de la sierra contiene el 49 % de los pobres y el 72,5 % de pobres extremos (INEI 2013). Al ver las estadísticas se aprecia que los pobres, especialmente las mujeres y los niños, son los más afectados por la contaminación del aire dentro del hogar. Los habitantes rurales presentan una tasa de mortalidad en la niñez de 64 defunciones por cada mil habitantes menores de 5 años; mientras que aquellos que no habitan en zonas rurales presentan la mitad de dicha tasa de mortalidad (CEPAL 2012). Cabe mencionar que los niños son los más afectados ante esta emisión de gases debido a que permanecen mucho tiempo junto a sus madres. Esto significa que se encuentran cerca del fuego para cocinar, lo cual causa en ellos infecciones respiratorias agudas y les provoca la muerte. Según el documento del ITDG (Warwick y Doig 2003), el impacto que la duración de esta exposición al humo tiene en los niños de corta edad se ve exacerbado por varios factores: las vías respiratorias de los niños son más pequeñas, lo que significa que son más susceptibles a la inflamación; sus pulmones

no se desarrollan plenamente hasta que son adolescentes, por lo que respiran con más rapidez; además, su sistema inmunológicos no está completamente desarrollado, un proceso que puede verse aún más retrasado debido a la desnutrición.

b) Emisión y dispersión de CO2 , humo Según la Unidad de Cambio Climático (DDSAH) del CEPAL, a partir de los datos extraídos de CEPALSTAT/Estadísticas e Indicadores (2012), se puede inferir la cantidad de consumo de leña anual, así como la cantidad de humo y de CO2 emitidos en todo Latinoamérica. Para llegar a estas cifras, se utilizaron los datos de cantidad de barriles equivalentes de petróleo y se determinó la energía calorífica emitida por este para luego convertir dichos datos a toneladas de madera. Una vez obtenida la cantidad de madera consumida, se multiplica por un factor (1,9) calculado en la metodología del presente trabajo. Así se convierte la madera consumida en toneladas de humo emitido. Finalmente, para hallar la cantidad de CO2 se multiplica la cantidad de humo por 14 % debido a que este porcentaje lo representa. En el Gráfico 3 se puede observar la evolución del consumo de leña en Latinoamérica, donde Haití y Perú son los que consumen más este producto, siendo este de 5793 y 5051 miles de toneladas, respectivamente, en el 2011.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 121

GRÁFICO 3 Evolución del consumo de leña en Latinoamérica (miles de toneladas/año)

Elaboración propia

Por otro lado, el consumo de Honduras ha aumentado significativamente desde el 2002; mientras que en países como Paraguay, Nicaragua, Bolivia y Surinam, el consumo tiende a ser constante.

Emisiones de CO2 (TN)

Consumo de leña (kg/familia/día)

GRÁFICO 4 Evolución del consumo de madera (TN) y emisiones de CO2 (TN) en el Perú

Consumo de leña (kg/familia/día) Elaboración propia

122 PREMIO ODEBRECHT 2013

EMISIÓN CO2 (TN)

En el Gráfico 4 se observa que el consumo de leña ha evolucionado dramáticamente desde 5,51 kg en el 2008 hasta 7,17 kg en el 2011. Esto ratifica la creciente tendencia hacia el consumo de leña por familia por día. Por otro lado, las emisiones de CO2 están directamente relacionadas con la cantidad del consumo de leña, siendo esta de 157 TN en el último año sondeado. Es así que, en las regiones que consumen este producto como combustible, se contempla la hipótesis de que el aumento de consumo de leña se debe principalmente a cambios en la temperatura mínima del ambiente y la velocidad del viento. La velocidad del viento nos puede brindar una aproximación sobre la sensación térmica que afecta a una determinada región, pues a mayor velocidad del viento mayor es el coeficiente de transferencia de calor del aire, lo que genera una sensación térmica más intensa. A continuación, se muestra la evolución de temperaturas mínimas (promedio anual) y la velocidad del viento (promedio anual) en

cuatro provincias del Perú (www.TuTiempo. net), las cuales han sido elegidas por su ubicación. Se puede observar que todas las regiones evaluadas estuvieron claramente afectadas en el 2008, año desde el cual se ven pronunciados cambios en la temperatura y velocidad del viento. Asimismo, en este año, en el caso de Arequipa, se observa que la temperatura ha descendido 2 °C, aproximadamente; mientras que la velocidad del viento ha aumentado drásticamente unos 3 km/h. En cambio, en Cusco se nota un descenso abrupto de 0,5 °C, el cual se va recuperando en los años posteriores; mientras que la velocidad del aire aumenta y sigue constante en 6 km/h, aproximadamente, en los mismos años. Tacna es la única región en donde solo se notan cambios en la velocidad del viento que aumenta de 13 km/h a 14,7 km/h desde el 2008 hasta la actualidad. Finalmente, en Chiclayo se observan aumentos y descensos irregulares en la temperatura mínima y velocidad del viento, respectivamente. Esto puede deberse a cambios en la temperatura del mar, pues Chiclayo se encuentra ubicado en la costa.

GRÁFICO 5 Evolución Temperatura mínima (Tm) vs. Velocidad del viento (V) en Arequipa

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 123

GRÁFICO 6 Evolución Temperatura mínima (Tm) vs. Velocidad del viento (V) en Cusco

Elaboración propia

GRÁFICO 7 Evolución Temperatura mínima (Tm) vs. Velocidad del viento (V) en Tacna

Elaboración propia

GRÁFICO 8 Evolución Temperatura mínima (Tm) vs. Velocidad del viento (V) en Chiclayo

Elaboración propia

124 PREMIO ODEBRECHT 2013

Se concluye entonces que la temperatura y la velocidad del viento han sido los factores de mayor incidencia que han desencadenado el aumento del consumo de leña como combustible.

c) Alteración de las características del suelo En todo el ciclo de vida de la leña, la alteración de las características del suelo se puede dar de una manera más pronunciada en la parte de la extracción de la leña, es decir, la tala. Asimismo, se sabe que la tala puede ser de tipo sostenible y no sostenible. El presente estudio se enfoca en el segundo tipo de extracción dado que esta no cuenta con un plan de manejo de bosques ni con plan de aprovechamiento forestal que determine –mediante estudios poblacionales– la cantidad técnicamente adecuada para aprovechar un bosque de especies forestales. Esto genera una serie de impactos ambientales, entre los cuales se encuentran los impactos a los suelos. Cabe señalar que el sistema suelo no es un recurso aislado del resto del ecosistema, por ello los impactos se encuentran orgánicamente interconectados. Entre estos tenemos: Pérdida de la cobertura forestal (si la extracción es mayor al 20 % del área total, esto afecta la regeneración natural) Pérdida de biodiversidad Erosión (pérdida de suelo) eólica o pluvial por lixiviación de nutrientes del suelo (a mayor pendiente, mayor erosión) Ruptura de los ciclos biogeoquímicos (ciclo del carbono, nitrógeno, fósforo, agua, etcétera), que dan origen al proceso de edafogénesis mediante el reciclado de nutrientes y materia orgánica del follaje de las hojas de los árboles que caen al suelo, y, luego de mineralizarse, se

incorporan a la solución suelo que alimenta a las plantas y así sucesivamente Compactación del suelo, desertificación Colmatación de los cauces de agua por la sedimentación de material edáfico Pérdida de productividad, pérdida de la calidad del sitio Acidificación o salinización de los suelos (dependiendo del balance hídrico (precipitación vs. evapotranspiración) y el material parental que da origen al suelo) Alteración del régimen hídrico y alteración del microclima Emisiones de GEI (gases efecto invernadero) y liberación de carbono (o pérdida de carbono fijado)

d) Riesgos de enfermedades y quemaduras Según el estudio realizado por Restrepo y colaboradores (1983), citado por Chacón (1990), en Colombia, sobre la base de estudios histológicos en experimentos animales y en hallazgos clínicos y de biopsias pulmonares transbronquiales en seres humanos, comprobaron que el humo producido por la leña que se utiliza en la cocción ocasiona en aquellos una neumopatía del tipo de la neumoconiosis. Este tipo de neumopatía tiene algunas características particulares y se presenta en personas expuestas al humo de leña, especialmente en altitudes medias y recintos cerrados. La enfermedad se caracteriza en sus etapas iniciales por un cuadro de bronquitis crónica, con tos, expectoración mucosa y disnea progresiva producida por los elementos irritantes que contiene el humo, y que originan hiperplasia e hipertrofia de las glándulas mucosas.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 125

CUADRO 5 Síntomas de once pacientes expuestos a la inhalación de humo de leña durante más de treinta años

Síntomas

% de presentación

Mareos

91 %

Irritación de ojos

82 %

Cefalea

73 %

Expectoración mucosa

64 %

Sibilancias (no asociadas con gripe)

55 %

Disnea (*)

55 %

Tos (al menos 4 episodios/día)

45 %

Tos durante todo el día

18 %

(*) Que la obliga a caminar más lento que las personas de la misma edad. Elaboración propia

Dada las características geográficas y demográficas entre Perú y Colombia, se asume la correlación de los estudios médicos realizados por Restrepo y colaboradores relacionados con la inhalación de humos por el consumo de leña. Es así que en el Perú una de las principales causas de mortalidad es la influenza (gripe) y enfermedades respiratorias con 12,6 % (véase el Gráfico 9). GRÁFICO 9 Principales causas de mortalidad en el Perú

Fuente: adaptado de MINSA (2013: 6 y 7).

126 PREMIO ODEBRECHT 2013

e) Desequilibrio del medio ambiente por el hombre Los puntos mencionados en líneas anteriores, especialmente los que están relacionados con la emisión de CO2 y con la depredación de los bosques mediante la tala, son las principales fuentes de desequilibro del medio por el hombre. Esto se debe que nuestro ecosistema está interrelacionado, y los bosques son agentes purificadores del medio ambiente ya que consumen CO2 y nos brindan oxígeno. A continuación, en la Infografía 1 se muestra el efecto de la tala de árboles: el efecto invernadero. INFOGRAFÍA 1. Ciclo del carbono

Fuente: Agroespacio (2011).

4. METODOLOGÍA Y HERRAMIENTAS

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 4.1. Aspectos considerados en el diseño del sistema integrado Cociterma Se analizaron las siguientes variables que influyen en el diseño y performance del sistema: La tecnología y los materiales requeridos por Cociterma El monto de capital requerido para fabricar la Cociterma La cantidad de energía que requieren los pobladores rurales en sus actividades cotidianas Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 127

La eficiencia en la combustión de la leña La eficiencia en la transferencia de calor El tamaño de los hogares de la población Los posibles usos o beneficios alternos que se pueden obtener de los gases calientes que emite la combustión de la leña Las condiciones ambientales del lugar donde se instalará el sistema FIGURA 1 Vista preliminar de la cocina posicionada en la pared de la vivienda tipo

Así se determina cuánta madera (energía de combustión) requiere la cocina para hervir agua. Además, se determina la capacidad de calefacción del intercambiador de calor (terma) y la temperatura a la cual llegará el agua dentro de dicho intercambiador. Con los datos mencionados se obtiene la eficiencia del sistema integrado Cociterma.

4.2. Materiales del sistema integrado Cociterma Las tecnologías integradas de la Cociterma ofrecen un equipo sencillo de utilizar con garantía en ahorro de energía y en emisión cero de gases de combustión. La construcción del sistema Cociterma requiere mano de obra calificada y materiales especiales que permitan la aplicación de dichas tecnologías integradas. Se puede citar como ejemplo el uso de ladrillos refractarios para utilizar el calor emitido por la leña en la cámara de combustión o el uso de tensoactivos para atrapar los gases de combustión emitida por la leña. Los materiales utilizados en el sistema Cociterma se presentan en el Cuadro 6.

Elaboración propia

Dentro de los factores técnicos se evalúa la cantidad de calor emitido en la cámara de combustión (emisión de calor por conducción, convección y radiación) considerando los parámetros de la calidad del aire fresco (humedad relativa, presión ambiental, temperatura del aire, velocidad promedio de entrada del aire), además de la cantidad de leña que se utilizará (porcentaje de humedad de la leña, su geometría y cantidad recomendada).

128 PREMIO ODEBRECHT 2013

CUADRO 6 Materiales empleados en el sistema integrado Cociterma

Intercambiador de calor

Tubo

Acero térmico

Hornilla de la cocina

Plancha

Acero térmico

Hornilla de la cocina

Plancha

Pines de acero térmico

Hornilla de la cocina

Barra

Planchas acero negro

Estructura externa cámara combustión

Plancha

Varilla acero construcción

Parrilla para leña

Varilla

Perfil L de fierro

Estructura cámara combustión

Perfil L

42 2,54

Perfil T de fierro

Estructura cámara combustión

Perfil T

42 2,54

Platina de fierro

Estructura cámara combustión

Platina

42 2,54

Ladrillo refractario

Forro térmico de la cámara de combustión

Hexaedro

Tipo de elemento

Unidades

Acero inoxidable

Parte de la cociterma

Material

e (mm)

Largo (cm)

Área o Cant. piezas masa por pieza

ɸ (mm)

Ancho (cm)

Características

0,37

0,26

0,06

1,26

23.4

0,032

10 280

100

Plancha de acero Ducto interno galvanizado de cámara IC

Plancha

110

0,66

Plancha de galvanizado

Ducto externo de cámara IC

Plancha

120

0,72

Lana de vidrio

Forro térmico del IC

Paño

120 100

1,2

Plancha de galvanizado

Ductos de ingreso de aire y salida de humos

Plancha

500

0,56

80 0,8

0,64

0,56

Planchas acero inoxidable

Carcasa externa de la cocina

Plancha

Donde: IC: intercambiador de calor; e: espesor; ɸ= diámetro (mm) Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 129

4.3. Estructura de la cociterma El sistema integrado cociterma consta de dos intercambiadores de calor y un neutralizador de gases de la combustión: Una cámara de combustión, eje central de la cocina. Un intercambiador de calor (terma) que aprovechará los gases calientes de la combustión. Un neutralizador de gases de la combustión, donde se captura el humo y se precipitan los compuestos tóxicos.

4.3.1. La cámara de combustión La cámara de combustión es la parte de la cocina donde se genera el calor por la combustión (oxidación) de la leña. Esta cuenta con 3 partes que definen su diseño y funcionalidad: La parrilla en V y el inyector de oxígeno Las placas de acero térmico conductor Las paredes aislantes de calor

FIGURA 2 Vista isométrica y de perfil de la ubicación de la cámara de combustión dentro del sistema cociterma

Elaboración propia

FIGURA 3 Cámara de combustión

Elaboración propia

130 PREMIO ODEBRECHT 2013

a) La parrilla en V y el inyector de oxígeno Una de las características diferenciales de la cocina mejorada cociterma es la parrilla en V que mantiene al combustible (leña) siempre en la parte central de la cámara de combustión. Sin importar como se coloque la leña dentro de la cámara de combustión, esta tiende a dirigirse hacia el centro de la cámara.

FIGURA 5 Vista isométrica de la posición de las placas conductoras en relación con la parrilla en V e inyector de oxígeno (ducto de ingreso de aire)

FIGURA 4 Parrilla en V, vista frontal e isométrica

Elaboración propia

FIGURA 6 Vista de perfil de la posición de las placas conductoras en relación con la parrilla en V e inyector de oxígeno (ducto de ingreso de aire)

La importancia de tener la leña en el centro de la cámara radica en que los gases de la combustión (que conducen el calor por convección) y el fuego de la combustión (que conduce las emisiones de calor por conducción) están alineados con las placas de acero térmico que conducen el calor hacia las ollas del usuario. Dicha alineación del calor es muy importante porque suma efecto de eficiencia durante la combustión de cualquier tamaño de leña, incluso durante la formación de carbones y cenizas, posterior a la combustión.

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 131

El ducto de ingreso de aire conserva la geometría en V de la parrilla y alimenta de oxígeno a la parte convexa de dicha parrilla. A diferencia de las cocinas mejoradas tradicionales, que suministran oxígeno de forma lateral, el ducto de ingreso de aire le inyecta oxígeno al fuego por la parte inferior, mejorando la eficiencia de la combustión y canalizando la energía de forma ascendente hacia las placas de acero térmico. Este detalle de diseño es muy importante porque se aprovecha la velocidad del aire por convección natural (Velocidad aire frío que ingresa = 0,1 a 0,2 m/s), el cual al calentarse en la Zona V del ducto, se expande por dilatación, reduce su densidad y, por ello, aumenta su velocidad de convección natural obteniéndose un flujo constante de oxígeno (Velocidad aire caliente inyectado = 0,3 a 0,4 m/s). Es decir, se aprovecha el calor del fuego para generar un efecto de succión o vacío. Además, el ingreso de aire frío a la combustión de la leña limita la eficiencia de dicha combustión.

b) Placas de acero térmico conductor En la cámara de combustión se quema (oxida) la leña, se produce fuego y como resultado se generan tres tipos de energía calorífica: Convección, los gases de la combustión se liberan a 700 °C - 800 °C. Conducción, por el contacto entre el fuego y los pines conductores de calor de las placas de acero térmico. Radiación, por las ondas de calor radiantes que emite el fuego. FIGURA 7 Tipos de calor emitido en la combustión de leña

Elaboración propia

Los tipos de calor emitidos por la combustión de la leña se detallan a continuación (véase la Figura 7): Cdx: Calor emitido por conducción, que se emite desde el fuego hasta los pines conductores de calor, que se encuentran unidos a las placas de acero térmico.

132 PREMIO ODEBRECHT 2013

Rdx: Calor emitido por la radiación del fuego (ondas de radiación), que se emite en todas las direcciones y representa el 14 % de la energía total liberada por la combustión (Álvarez 2007). Cvx: Calor por convección, donde los gases calientes (800 °C) que emite la combustión de la leña alcanzan a los pines conductores de calor. Las placas conductoras de calor están construidas de una aleación de acero inoxidable con cobre (acero térmico). Ello permite aprovechar las características elásticas y de resistencia del acero inoxidable, así como las propiedades de conducción de calor del cobre. Las características principales del acero térmico de baja aleación son: Alta tolerancia a operaciones de calentamiento-enfriamiento (T° fusión = 1400 °C). Acero inoxidable, no se deforma ni produce escamas a través de calentamientos sucesivos. Alta conductividad térmica (K = 192 J/s-m-°C), muy próxima a la conductividad térmica del aluminio. Los pines reciben el calor (por contacto con el fuego y gases de combustión, así como

por la radiación emitida) y lo transfieren a las placas que estarán en contacto con las ollas del usuario. Un detalle importante en el diseño es la superficie expuesta al aprovechamiento del calor. Mientras que en las cocinas mejoradas tradicionales la superficie expuesta al calor es la base de la olla, con un promedio de 700 cm2 por cada olla de 30 cm de diámetro; el diseño de placas con pines de acero conductor permite el aprovechamiento del calor sobre un área de 2040 cm2 por cada olla del mismo diámetro. Ello incrementa notablemente el aprovechamiento del calor y reduce el tiempo de cocción. Los pines son de geometría cilíndrica de 8 mm de diámetro. La placa más pequeña cuenta con 29 pines conductores y está diseñada para ollas de 20 cm de diámetro. La placa más grande cuenta con 53 pines conductores y está diseñada para ollas grandes de 30 cm de diámetro. El sistema de placas de acero térmico permite tener una cámara de combustión sellada que evita la salida de los gases (humos) de combustión. Las ollas se calientan por contacto con las placas de acero térmico. Ello también permite que las ollas permanezcan calientes aun cuando no haya fuego en la cámara de combustión.

FIGURA 8 Vistas de las placas de acero térmico

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 133

c) Paredes aislantes de calor La cámara de combustión cuenta con una estructura metálica que contiene dos capas delgadas diseñadas para maximizar el aprovechamiento de la energía emitida por la combustión. La capa externa que rodea a la cámara de combustión es de ladrillo refractario, un material que actúa como aislante térmico e impide la pérdida de calor por las paredes de la cámara de combustión. El espesor de dicho material es de 30 mm y su conductividad térmica es mínima (K = 0,7 W/m-°C).

La capa interna de la cámara está compuesta por piedras. El espesor de la capa de piedras es de 20 mm. Esta capa puede instalarse como piedra en láminas o como piedra chancada de tamaño apropiado. La finalidad de utilizar una capa de piedras en la cámara de combustión es aprovechar su capacidad de retención/emisión de calor, ya que actuará como un acumulador de calor radiante durante la combustión de la leña, calor que se disipará cuando la leña se haya agotado y que no se habrá podido aprovechar de forma instantánea por las placas de acero térmico durante la combustión de la leña.

FIGURA 9. Vista isométrica y radiográfica de la cámara de combustión

Elaboración propia

134 PREMIO ODEBRECHT 2013

FIGURA 10. Partes de la cámara de combustión

Elaboración propia

Ambas capas (ladrillo refractario y piedras) tienen una altura de 40 cm e impiden la salida de los gases de combustión de la leña. La puerta de la cámara de combustión cuenta con 20 mm de ladrillo refractario como

capa externa y con 15 mm de piedra como capa interna. El cierre de esta puerta es hermético para evitar la salida de humos hacia los ambientes de la casa.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 135

4.3.2. El intercambiador de calor

Durante las etapas de combustión de la leña, la temperatura de la flama soltada durante la combustión está alrededor de los 800 °C y está limitada por las pérdidas de calor por radiación y por la mezcla con el aire frío del ambiente. El calor por convección cedido desde los gases volátiles de la combustión hacia las placas de acero térmico produce un descenso en la temperatura de dichos gases (humos).

forzando el contacto directo de estos con un dispositivo intercambiador de calor de tubos paralelos. Dentro de este intercambiador de calor se puede almacenar agua o hacerla circular. FIGURA 12 Vista del flujo de humos hacia el intercambiador de calor

En las cocinas mejoradas tradicionales, dichos gases se evacúan hacia el exterior de la casa a través de un ducto o chimenea. Estos gases volátiles salen a temperaturas de 300 °C a 400 °C. El sistema integrado cociterma aprovecha la alta temperatura de los gases de combustión al canalizarlos hacia una cámara que reduce la velocidad de salida de dichos gases, FIGURA 11 Vista isométrica de la cociterma

Elaboración propia

El intercambiador de calor está constituido por dos cámaras de acero galvanizado, lana de vidrio y dos platos que conectan un conjunto de tubos paralelos de acero inoxidable, por los que circula el agua a calentar, y por dos cámaras que permiten el almacenamiento del calor. Elaboración propia

136 PREMIO ODEBRECHT 2013

FIGURA 13 Platos de conexi贸n y tubos paralelos del intercambiador de calor

Elaboraci贸n propia FIGURA 14 Vista de los componentes del intercambiador de calor

Elaboraci贸n propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 137

Las cámaras del intercambiador de calor son de acero galvanizado. En la Figura 14 se observa que la cámara externa (2) contiene a la cámara interna (1). Entre ambas cámaras se coloca un forro aislante de 50 mm de espesor de lana de vidrio.

FIGURA 15 Vista radiográfica de los componentes ensamblados del intercambiador de calor

La cámara 1 recibe los gases de la cámara de combustión, los retiene y permite el contacto directo de dichos gases con los tubos paralelos del intercambiador de calor. De esta manera, el calor de los gases calientes de combustión se aprovecha en la calefacción del agua del intercambiador; es decir, el calor del humo no se perderá hacia el ambiente externo.

a) El neutralizador de los gases de combustión El neutralizador de gases de combustión es una estructura con un recipiente cuya finalidad es capturar el humo que proviene del intercambiador de calor. Este se instala en la parte final del ducto de salida de humos.

Elaboración propia

FIGURA 16 Vista isométrica y de perfil del ducto de salida de humos

Elaboración propia

138 PREMIO ODEBRECHT 2013

De acuerdo con la Figura 16, el neutralizador de gases consta de las siguientes partes: Bastidor de conexión con el ducto de salida de gases

Recipiente para la solución neutralizadora (agua + cal + tensoactivos)

Plato con tubos de dosificación de gases FIGURA 17 Componentes del neutralizador de gases de combustión

Elaboración propia FIGURA 18 Ensamblaje del neutralizador de gases

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 139

Luego de que los gases de combustión circulan por el intercambiador de calor, su velocidad ha descendido y se dirigen hacia el exterior de la casa por el ducto de salida de gases. A la salida del ducto de gases se encuentra un dispositivo dosificador (sistema de microtubos de altura diferencial) que aprovecha la propiedad de flujo laminar del humo (mayor velocidad de flujo en el centro del ducto y menor velocidad de flujo del humo próximo a las paredes del ducto) y desemboca en un recipiente de plástico que contiene una solución con un producto tensoactivo más cal (óxido de calcio); es decir, la solución neutralizadora.

FIGURA 19 Dosificador de gases de combustión

El sistema de microtubos de altura diferencial tiene como objetivo difundir los gases de combustión en la solución tensoactiva aprovechando su propiedad de flujo laminar. Un fluido con comportamiento laminar tiene baja velocidad lineal, y esta describe un perfil parabólico cuando se transporta a través de un ducto o tubería; es decir, la velocidad del humo en el centro del ducto es mayor que la velocidad cercana a las paredes del ducto. Esta diferencia de velocidades genera una diferencia de presiones. Por ello, los microtubos de inyección de humo en la solución tensoactiva son más largos en el centro (dirigen el humo a mayor profundidad dado que tienen mayor velocidad) y más cortos en los extremos (cercano a las paredes del ducto). La solución neutralizadora está compuesta por tres ingredientes: Agua, que es el medio para la dispersión de los gases de combustión. Compuestos tensoactivos, que reducen la tensión superficial entre el humo y el agua, facilitando su dispersión y solubilización. Cal (óxido de calcio), que genera una solución alcalina, necesaria para neutralizar los ácidos que se forman al solubilizar humo en agua.

Elaboración propia

140 PREMIO ODEBRECHT 2013

4.4. Cálculos del sistema integrado cociterma 4.4.1. Determinación del aire teórico para la combustión completa de la madera

Es necesario mencionar que la ecuación toma como equivalente total de madera a la celulosa. Como se aprecia en la relación estequiométrica, un mol de celulosa requiere de 6 moles de oxígeno:

Celulosa

De esta forma, para la combustión de un kilogramo de madera es necesario, teóricamente, 1,19 kg de oxígeno. Para efectos de los cálculos, se considera que el aire está compuesto por un 79 % de nitrógeno y 21 % de oxígeno en moles (Huayta 2013).

Finalmente, los cálculos apuntan a que se requieren 5 kg de aire para la combustión de 1 kg de madera.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 141

4.4.2. Relación entre la masa de madera utilizada en la combustión y la masa de los humos (gases de la combustión) generados en el proceso de combustión

Según Burschel (2003), la pérdida de calor del humo que se va por la chimenea corresponde a la energía sensible de productos típicos del proceso de combustión (CO2, H2O, N2 y O2) y a aquellos productos de combustión incompleta. El flujo de humos puede expresarse a partir de un balance de masas como:

En el cual, el AFR representa la relación estequiométrica aire-combustible y el EA (exceso de aire).

reacción teórica para mostrar cómo funciona un proceso real. La reacción entonces será:

Así se incluye el monóxido de carbono en el proceso y se define la relación estequiométrica real entre aire-combustible. Es decir, en el caso de la combustión incompleta, para el cálculo del AFR se considera la relación entre el peso molecular del CO, CO2 y el C:

Según Carazo (2006), el AFR puede obtenerse de la reacción química fundamental teórica de la combustión de madera:

Donde, la celulosa (C 6H 10O 5) reacciona con el aire en el proceso de combustión y se obtienen como productos dióxido de carbono y agua. La ecuación toma como equivalente de madera a la celulosa. Según Álvarez (2009), la combustión completa de la leña emite como único residuo de la reacción dióxido de carbono y agua. Sin embargo, también señala que la combustión más común en la leña es la combustión incompleta, la cual se realiza con un 90 % de eficiencia, donde las emisiones de carbono corresponden a 90 % de CO2 y 10 % de CO. Con este dato se adapta la

142 PREMIO ODEBRECHT 2013

Por otro lado, el exceso de aire debe obtenerse según los parámetros que se fijen en el sistema propuesto. Se recomienda utilizar valores entre 1,8 a 3 para la combustión en cámara abierta que se considera similar al de una cocina mejorada (Álvarez 2009). Para el sistema propuesto, se elegirá un valor intermedio de 2,4.

Al representar los valores mencionados en la primera ecuación, la masa de los humos será equivalente a 1,9 veces la masa de la leña. Por ejemplo, un kilo de madera producirá 2 kilogramos de humo.

Esta cifra guarda relación con los datos mencionados por Torres y otros (2010): la combustión de un kilogramo de leña emite 1,83 kg de CO2. Esto se debe a que en la leña la mitad de su masa es carbón (C), y si la relación entre el peso molecular del CO2 y el C es de 44/12, entonces 1 kg leña produce: 0,5 (44/12 kg de CO2) = 1,83 kg de CO2. La equivalencia entre el carbono y el CO2 es:

La sección del ducto donde ingresa el aire a la cámara de combustión es de 15 x 15 cm2, lo que da un área de 225 cm2.

La densidad del aire a 25 °C es de aproximadamente 1,2 kg/m3:

Así, el flujo del aire que ingresa al sistema en kg/s es de: Entonces, si en cada kilogramo de leña el 50 % es carbono (C), la razón será de 3,667 x 0,5 = 1,83 kg de CO2/kg de leña. Considerando que, en promedio, una familia se compone de 4 personas y consumen 3127 kg de leña al año, entonces la cantidad de CO2 que emite dicha familia es de:

Por otro lado, para la combustión de un kilogramo de madera se requieren 17,5 kg de aire en el que toman parte el aire teórico (5,17 kg de aire/kg de madera) y el factor de aire en exceso (EA) de 2,4:

4.4.3. Tiempo teórico para la combustión de la madera

Para definir el tiempo teórico se calcula la cantidad de aire necesario que entra al sistema para el proceso de combustión de la leña: La velocidad del aire, por convección natural, en promedio oscila entre 0,1 y 0,2 metros por segundos; sin embargo, el sistema de inyección de aire de cociterma permite un incremento de la velocidad lineal del aire de 0,3 a 0,4 m/s, por lo que se tomará el valor de 0,3 m/s.

Finalmente, con el flujo de aire total (teórico y aire de exceso) se halla el tiempo estimado que requiere la combustión de 1 kg de leña:

Conclusión, el tiempo que tardará la combustión de 1 kg de leña es, aproximadamente, 36 minutos.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 143

4.4.4. Difusión de humo en el neutralizador de gases de la combustión

4.4.5. Cálculo del calor emitido por radiación

De acuerdo con los cálculos realizados sobre combustión de leña seca, esta se quema a razón de 0,46 g/s (1 kg leña/36 minutos), emitiendo humo a una tasa de 0,88 g humo/s (1,9 kg humo/36 minutos). De Maciel (2008) se sabe que la densidad del humo caliente (900 °C) es variable y depende del tipo de desplazamiento molecular, con cifras que van desde 0,3 kg/m3 (flujo laminar) hasta 0,9 kg/m3 (flujo turbulento).

El calor emitido por radiación desde una superficie caliente (1) hacia un cuerpo de más baja temperatura (2) puede calcularse por la ecuación:

Asumiendo una densidad promedio de 0,6 kg/m3, el desplazamiento volumétrico teórico del humo (V), a través del ducto de salida de gases, es:

Donde: Energía emitida por radiación en watts (W) Constante de Stefan-Boltzmann Factor de la forma radiante entre las superficies Área de la superficie 1, en m2 Temperatura absoluta de la superficie 1, en grados kelvin (°K)

Con este dato se estima la velocidad lineal del humo a través del ducto de salida de gases de combustión.

Temperatura absoluta de la superficie 2, en grados kelvin (°K).

a) Factor de forma radiante

Esta es la velocidad lineal aproximada de ingreso del humo al recipiente de neutralización de gases.

144 PREMIO ODEBRECHT 2013

Se modelarán las superficies de la llama del lecho de combustible y de la base de la olla principal como dos superficies circulares concéntricas paralelas A1 y A2 (Álvarez 2009). Como el fuego no está en contacto con la olla, sino con las placas de acero térmico conductor, se realizarán algunas modificaciones.

GRÁFICO 10 Cálculo del coeficiente de forma de dos superficies circulares concéntricas paralelas

Fuente: Álvarez (2009: 21).

GRÁFICO 11 Modelo de superficies circulares concéntricas paralelas

Elaboración propia

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 145

Primero, se halla la superficie expuesta de las placas de acero térmico conductor. Esta consiste en el área de los 82 pines y las dos placas (una de 30 cm de diámetro y otra de 20 cm).

En donde, se sabe que:

Segundo, se calculará el área de la superficie del lecho del combustible que se considera el 50 % del área perpendicular a la dirección del flujo de calor de la parrilla V porque la leña se ubica al centro, lo que ocupa la mitad del área.

Con estas superficies se configura el cálculo según el modelo teórico de dos placas circulares paralelas. Así, los radios de «a» y «b» son:

En el diseño de la cámara de combustión se define una altura de 38 cm entre el punto más alto de la parrila en V y la placa térmica: Finalmente, se halla el factor de forma radiante:

146 PREMIO ODEBRECHT 2013

b) Calor por radiación (QR ) Según Álvarez (2009), la temperatura de la superficie en 1 es igual al valor de la temperatura de flama:

(Dato experimental medido con termómetro láser)

Según Álvarez (2009), el calor de combustión por radiación representa el 15 % del calor liberado por la leña.

c) Cálculo del calor emitido por convección Según ARC (2007), la ecuación para calcular la transferencia de calor por convección puede formularse de la siguiente manera:

Donde: Flujo de energía térmica transferida por convección en watts (W) Coeficiente de convección (W m-2 K-1) Superficie de transmisión involucrada (m2) Temperatura del fluido (en este caso gases de combustión) (K) Temperatura de la superficie (placa de acero térmico) (K)

d) Temperatura del fluido (TW ) La temperatura de los gases de la combustión es de entre 800 °C a 1000 °C (Burschel y otros 2003). Para los cálculos se toma el valor de 800 °C.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 147

e) Coeficiente de convección ( C ) El coeficiente de convección es de 82,16 W/m2K para los gases de la combustión (Maciel 2008).

CUADRO 7 Las temperaturas según la etapa de combustión de la leña

Etapas de combustión

1.200º 1.000º

Temperatura

Fase de combustión (oxidación)

800º Fase de gasificación o pirólisis

600º 400º

Fase de calentamiento y evaporación del agua

200º

Fuente: Burschel y otros (2003: 69).

CUADRO 8 Características de los gases de la combustión

Parámetro

Fuente: Maciel (2008: 83).

148 PREMIO ODEBRECHT 2013

Gases

Aire

Unidades

12.69

12.22

m/s

0.9719

15.167

0.7174

0.06998

82.16

75.671

W/m2K

38.883

38.656

0.8772

0.8784

0.9791

0.9792

71.265

65.722

W/m2K

El área de las placas térmicas, así como su temperatura, se toman de los cálculos de calor por radiación:

de transformarse en gases volátiles de alta temperatura) y emite una flama que tiene contacto directo con los pines de acero térmico. Esta condición de la flama dura aproximadamente 21 minutos, tiempo en que la leña ha despedido cenizas y ha formado carbón (brasas).

g) Cálculo de la potencia de fuego

Según Álvarez (2009), el poder calorífico inferior es de 17 000 KJ/Kg:

f) Calor por convección (QCV )

La potencia de fuego es la cantidad de energía generada por la leña seca equivalente consumida en un intervalo correspondiente a la ebullición (Álvarez 2009).

La leña utilizada para la Cociterma es madera seca (5 % humedad). Así, se utiliza un kilo de madera seca.

Donde:

FP: Potencia del fuego en kW

h) Potencia de fuego (FP)

teb: Duración de la fase de flama en contacto con los pines de acero térmico (min)

PC: Poder calorífico inferior (kJ/kg) fd: Leña seca equivalente consumida (kg)

i) Cálculo del calor de conducción (Q CD )

La duración del proceso de combustión total es de 36 minutos, como se calculó líneas arriba en el tiempo teórico para la combustión de la madera. La fase que se analiza es aquella en que la flama está en contacto con las placas de acero térmico. Esta fase no se inicia instantáneamente y tampoco dura hasta el final de la combustión de la leña. En pruebas experimentales, esta fase se da aproximadamente a los 4 minutos de iniciada la combustión, luego que la leña se ha terminado de deshidratar (donde la lignina en forma de resinas, se calienta, se licua y se encuentra a punto

Este se calcula con la diferencia entre la potencia de fuego y los calores de radiación y convección:

j) Temperatura exterior de la placa Según Álvarez (2009), el calor de conducción sigue la siguiente fórmula:

K A (T1 - T2) L Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 149

Donde: Flujo de energía térmica transferida por conducción (W)

K: Coeficiente de conductividad térmica (W m-1 K-1)

A: Superficie de la placa térmica conductora (perpendicular a la dirección del flujo de calor) (m2)

T1: Temperatura en la superficie exterior de la placa (K)

T2: Temperatura de la superficie interior de

4.4.6. Cálculo del tiempo necesario para calentar el agua

El intercambiador de calor tiene una estructura similar a la de una caldera acuotubular. Es decir, el fluido (agua) pasa por los tubos durante su calentamiento y los humos envuelven el exterior. Así, el calor de los gases de la combustión se trasfiere al agua. FIGURA 20 Esquema de la trasferencia de energía entre los gases de la combustión y el agua en el intercambiador de calor

la placa (K)

L: Espesor de la pared de la placa conductora (m) Así se tiene: Elaboración propia

El espesor de la pared de la placa conductora en el diseño es de 10 mm.

Así, la temperatura exterior de la placa es de:

De la Figura 20 se puede deducir la siguiente expresión:

Se recuerda que el calor perdido será bajo debido a la chaqueta de lana de vidrio que recubre al intercambiador, por lo que se considerará despreciable:

a) Cantidad de calor entregado

La superficie externa de la placa térmica es de 599 °C, la cual es muy cercana a la temperatura de los pines conductores dentro de la cámara de combustión.

150 PREMIO ODEBRECHT 2013

Los gases de la combustión entran al intercambiador de calor a una temperatura de 500 °C y salen a una temperatura que se calculará. Así, el calor que liberan se calcula mediante la siguiente fórmula:

c) Temperatura de salida de los gases de la combustión Se sabe que un kilogramo de madera produce 1,9 kg de humo como se calculó líneas atrás.

Según Geankopolis (1992), el Cp del humo

Se tiene que:

Finalmente:

es de

b) Cantidad de calor absorbido Ingresa al sistema con una temperatura de 2 °C y sale a una temperatura de 45 °C:

Se sabe que el Cp del agua a temperatura ambiente (25 °C) es de

El intercambiador de calor admite un volumen de 5 litros, el cual se aproxima a tener 5 kg de agua:

Así, el calor necesario para calentar el agua es de:

Bajo los parámetros fijados, la temperatura final de los gases de la combustión que pasarán a ser neutralizados en la siguiente etapa tendrá un valor de 123,97 °C. 4.4.7. Cálculo de la difusión de CO2 en la solución neutralizadora

El sistema integrado Cociterma coloca gran parte de su diseño ecoamigable en la utilización de un dispositivo de inyección de gases de combustión dentro de una solución neutralizadora de dichos gases. Durante la combustión de la leña se produce humo mezclado con aire en exceso para una correcta combustión de la madera. Es así como 1 kg de leña puede ofrecer hasta 1,9 kg de humo. La toxicidad de las emisiones de la combustión de la leña radica en la presencia de óxidos más pesados que el oxígeno: CO2, NO2 y SO2, principalmente. De estos compuestos, el que tiene mayor presencia en el humo por combustión de leña es el dióxido de carbono, por lo que el cálculo de difusividad de gases está orientado a capturar este óxido, asumiendo que su neutralización incluye la neutralización de los demás óxidos presentes.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 151

De acuerdo con López y otros (2006), el promedio de emisiones de carbón por cada m3 de leña quemada es de 200 kg de carbón. Con madera cuya densidad promedio es de 800 Kg/m3, se puede calcular que por cada kg de leña quemada se emiten 250 gramos de carbón, o su equivalente en CO2, 915 g de dióxido de carbono. Por otra parte, Álvarez (2009) señala que en el humo de leña, la presencia de dióxido de carbono representa casi el 14 % en peso; mientras que el monóxido de carbono puede llegar al 2 % -3 %; ello por la necesidad de agregar aire en exceso (EA) para una adecuada combustión de la madera. Al utilizar los datos ofrecidos por Álvarez (2009), se tiene que 1 kg de leña ofrece 1,9 kg de humo, aproximadamente. De esta emisión, el 14 % en peso le pertenece al CO2, lo que equivale a 266 gramos de CO2 por 1 kg de leña quemada, dato similar al que ofrecen López y otros (2006). En el ducto de salida de gases de combustión se tiene un sistema de boquillas (microtubos) para la inyección del humo en la solución neutralizadora (con tensoactivos y cal). De acuerdo con el modelo propuesto por Geankoplis (1995) para la difusión molecular de gases en líquidos se tiene: Donde:

Flujo específico de CO 2 en kg mol CO2 / s x m2

Este valor de concentración es cero pues, al ingresar CO2 a la solución, este gas se convierte en ácido carbónico que luego es neutralizado por la Cal (CaO) formando carbonato de calcio. Diferencia de altura del gas próximo al medio de difusión o el espesor de la película de soluto sobre el medio de difusión; m. La columna de humo frío que llega al recipiente de solución neutralizadora (solución donde se difundirán los gases de combustión) tiene una longitud de 0,9 m, de acuerdo con el diseño. De acuerdo con estos datos la difusión de CO2 en la solución neutralizadora es como sigue:

Luego:

Es decir, la difusión del CO2 por combustión de 1 kg de leña es de 350 g/m2•s. Considerando que el área de difusión es el área de los microtubos de inyección (5 cm2 o 5•10-4 m2), se tiene:

Es la difusividad de CO2 en agua en m2/s = 2 m2/s (Geankoplis 1995). Concentración de A en el punto 1 = 160 g CO2 /m3 de humo Concentración de A en el punto 2, en el medio de difusión; en kg mol de A / m3.

152 PREMIO ODEBRECHT 2013

Dado que 1 Kg de leña emite 266 gramos de CO 2, y asumiendo una eficiencia del 80 % en la difusión del CO2 en la solución neutralizadora, se tiene:

c) Neutralizando dióxido de nitrógeno

Finalmente, la difusión de 266 g CO 2 en la solución neutralizadora requiere aproximadamente 32 minutos (1900 segundos). 4.4.8. Cálculo de las reacciones de neutralización de gases de combustión

Los gases de una combustión completa o incompleta contienen, aproximadamente, 14 % de dióxido de carbono y menores cantidades de dióxido de azufre y dióxido de nitrógeno. Cuando el gas de combustión ingresa al recipiente con la solución de cal y tensoactivos, los dióxidos se transforman progresivamente en ácidos (ácido carbónico, sulfúrico y nítrico). Estos ácidos reaccionan con la cal para formar sales que precipitan (sulfato de calcio, nitrato de calcio o carbonato de calcio). Así se neutralizan los ácidos presentes en la solución con cal, provenientes de los gases de combustión.

a) Neutralizando dióxido de carbono

b) Neutralizando dióxido de azufre

Cuando el dióxido de nitrógeno (NO2) se encuentra en solución con SO2, el dióxido de azufre reduce al monóxido de nitrógeno formando SO3 y N2O. El trióxido de azufre, en presencia de agua, forma ácido sulfúrico; este es neutralizado por la cal y se forma sulfato de calcio. El óxido nitroso (N 2O) forma ácido hiponitroso en presencia de agua. Este ácido es neutralizado por la cal y se forma nitrito de calcio.

La solución de cal con shampoo (como tensoactivo) empezará a acumular sales y cenizas que precipitan y que pueden recuperarse como sólidos, cada 7 a 15 días, en función del uso de la Cociterma y la correspondiente generación de humos. De acuerdo con la estequiometria para la neutralización de CO2 se tiene que:

44 g CO2 forman, al ingresar en solución acuosa, 62 gramos de ácido carbónico. Por lo tanto, 266 gramos de CO2 (por la combustión de 1 kg de leña) forman 375 gramos de ácido carbónico. Luego:

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 153

62 gramos de ácido carbónico se neutralizan con 56 gramos de cal y producen 100 gramos de carbonato de calcio. Por ello, 375 gramos de ácido carbónico requieren 340 gramos de cal para producir 111 gramos de carbonato de calcio. Finalmente, para neutralizar el CO2 emitido por 1 kg de leña se deben utilizar 340 gramos de cal. 4.4.9. Comparación del consumo de leña entre las cocinas mejoradas

En Perú, los usuarios de leña para cocinar consumen en promedio 6 kg de madera al día. Por otro lado, las cocinas tradicionales suelen ofrecer un 10 % a 15 % de eficiencia; las cocinas mejoradas entre 30 % a 40 %; y la Cociterma busca alcanzar una eficiencia de 80 %. Es decir, la energía que requiere un poblador promedio es de 15 % según se puede apreciar en el Cuadro 9. CUADRO 9. Consumo energético diario Energía utilizada

Tipo de cocina utilizada

Eficiencia promedio

Energía necesaria por día

108 000 KJ

Tradicional

15 %

16 000 KJ

Leña utilizada

6 kg Fuente: Álvarez (2009: 7-10). Elaboración propia

A pesar de que los pobladores utilizan 6 kg, se requiere de un aproximado de 16 000 KJ para satisfacer su requerimiento energético diario. Es decir, si las cocinas a leña tienen una eficiencia del 100 %, solo se requieren 0,6 kg de madera. Bajo este parámetro se comparan diversos tipos de cocinas, cuyos materiales y diseño inciden en la eficiencia y en el consumo real de leña. CUADRO 10. Comparación entre los sistemas de cocina

Energía necesaria

Tipo de cocina utilizada

Eficiencia promedio

Energía utilizada

Madera requerida (6 kg)

16 000 KJ

Tradicional

15 %

108 000 KJ

16 000 KJ

Mejorada

35 %

45 700 KJ

2,54

16 000 KJ

Cociterma

80 %

13 500 KJ

1,11

Fuente: Álvarez (2009: 58-60). Elaboración propia

154 PREMIO ODEBRECHT 2013

Por tal motivo, al contar con el sistema integrado Cociterma, la población puede reducir el consumo de leña en 4,9 kg. Esta reducción incide notablemente en la reducción de la emisión de gases de

efecto invernadero desde 1600 gramos de CO2 utilizando una cocina tradicional (casi 12 kg de humo) hasta 292 gramos de CO2 (2,1 kg de humo) utilizando el sistema integrado Cociterma.

5. SOLUCIONES PROPUESTAS

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Según el análisis realizado por el INEI (2012), el comportamiento de los combustibles en el Perú muestra que el recurso leña para cocinar es uno de los más importantes después del GLP. Este indicador motivó una investigación más profunda sobre su uso y entorno de aplicación; es así que se encuentra una variedad de artefactos para cocinar cuyo principal combustible es la leña. Sin embargo, se encontró que el inadecuado e ineficiente uso afecta a la población a nivel de salud, contaminación del medio ambiente y deforestación. Por otro lado, entre los artefactos que se utilizan para cocción de alimentos con leña se encuentran las cocinas tradicionales y las cocinas mejoradas. Las cocinas mejoradas se diferencian de las tradicionales principalmente por canalizar los gases de la combustión fuera del hogar del usuario, evitando así su exposición constante a tales gases. Sin embargo, los modelos actuales presentan eficiencias que, como máximo, se acercan al 40 %, encontrando una gran oportunidad de mejora.

La realidad presente cuestiona el uso de sistemas con tan poca eficiencia en el aprovechamiento de los recursos, como lo es el presente caso. Ante ello, se propone un sistema integrado que exceda y supere las deficiencias que presentan los sistemas actuales, lo cual puede lograrse a través de un estudio de las necesidades de los usuarios, mejor diseño del artefacto y el empleo de mejores materiales. Este último aspecto es el principal limitante, ya que los diseños actuales se basan en el uso exclusivo de materiales locales como el barro y la arcilla para la construcción de la cocina. Planteada la problemática es que se desarrolla una nueva solución de tecnologías integradas y ecoamigables: la cociterma. A continuación se presentan las ventajas del sistema integrado cociterma:

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 155

5.1. Ventajas de la propuesta cociterma

Además del ahorro en leña, cociterma ofrece 5 litros de agua tibia (35 °C a 40 °C) que pueden utilizarse para la higiene personal.

a) Salud Disminuye los problemas respiratorios y oculares al eliminar la emisión de humo por la combustión de la leña. Evita la contaminación al interior de la vivienda con humos tóxicos, ceniza y hollín. Permite contar con agua temperada para uso en lavaplatos o duchas. Reduce problemas de malas posturas, malestares lumbares y problemas de articulaciones, entre otros, dado el diseño ergonómico de la cociterma. Facilita las labores domésticas y mejora la higiene de la cocina y sus utensilios; cuenta con superficies lisas y planas de fácil limpieza. Al contar con un intercambiador de calor (terma) el sistema integrado permite actividades de higiene personal a diario con agua tibia. Al contar con un dispositivo extensor del calor (calefactor de aluminio), desde las placas de acero térmico (hornillas) hacia el aire, permite mantener el ambiente de la cocina con una temperatura confortable.

b) Económico Permite el uso del recurso leña de una manera eficiente. Ahorra un mínimo de 75 % el recurso de combustión (leña).

156 PREMIO ODEBRECHT 2013

Mejora la economía familiar por la reducción del uso de la leña. En el escenario de precios de leña más favorable, dicho ahorro se traduce en 3 nuevos soles por día. En términos simples, el tiempo de retorno del costo de la maquina es de 18 meses.

c) Social Permite y promueve el uso de tecnologías y materiales cada vez más eficientes y adecuados a las realidades presentes como paso inicial para dar solución a otras necesidades relevantes. Permite tener un equipo diseñado especialmente para suplir las necesidades básicas de los usuarios que utilizan leña como combustible para cocinar, en especial de los más vulnerables en zonas rurales de la sierra.

d) Medio ambiente Las cenizas del proceso de combustión pueden reintegrarse al recurso tierra como parte fundamental del abono. Promueve un ambiente limpio y sano. La leña como combustible es un recurso renovable, genera un desarrollo sostenible y reduce el efecto invernadero, pues los árboles capturan CO2 como fuente de carbono para su estructura, lo cual es fundamental para su crecimiento.

A pesar de que algunos materiales son de alto precio en el mercado, el sistema integrado cociterma genera un gran impacto en el aspecto económico a largo plazo, lo cual no afecta al proyecto por los beneficios económicos que genera a largo plazo. La población ahorra leña; y el Estado, en salud pública; asimismo este ahorra al contar con una nación productiva.

6. SOSTENIBILIDAD

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El proyecto es sostenible en los siguientes términos.

a) En términos ambientales

b) En términos sociales

El proyecto genera un ahorro de combustible del 75 % dada la tecnología y los materiales aplicados. La reducción del consumo de leña involucra reducción de tala ilegal, evitando los consecuentes problemas de erosión de suelos, ausencia de captura de agua pluvial por falta de bosques, pérdida de ecosistemas, entre otros.

El mayor impacto positivo del sistema integrado cociterma es a nivel de salud pública ya que mejora la productividad y expectativa de vida de la población dada la neutralización de los gases tóxicos de combustión.

El uso de leña como combustible permite apostar por un recurso renovable que, sumado a las tecnologías de cociterma, no emitirá gases de combustión y, por el contrario, promueve proyectos de reforestación que coadyuvan a la reducción del efecto invernadero.

Además, el sistema cociterma es una propuesta de vanguardia dado que en la actualidad han empezado a surgir empresas dedicadas exclusivamente a la captura de gases de combustión producidos por la industria, las que están obligadas a neutralizar sus emisiones contaminantes por las exigencias legales que se han puesto en vigencia.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 157

c) En términos económicos El principal efecto directo en la economía de la población que utiliza leña para cocinar es la reducción del consumo del combustible renovable. Además, la utilización de materiales

de alta tecnología asegura la durabilidad del artefacto a largo plazo, lo que a su vez asegura la sostenibilidad de sus beneficios económicos.

CUADRO 11 Presupuesto del sistema integrado Cociterma

Material

Parte de la cociterma

Precio unitario (N.S.)*

Subtotal (N. S.)

Acero inoxidable

Intercambiador de calor

6,60

105,70

Acero térmico

Hornilla de la cocina

29,60

11,00

Acero térmico

Hornilla de la cocina

29,60

7,60

Pines de acero térmico

Hornilla de la cocina

29,60

141,20

Planchas de acero negro

Estructura externa de la cámara de combustión

67,20

84,70

Varilla de acero para construcción

Parrilla para leña

6,00

48,00

Perfil L de fierro

Estructura de la cámara de combustión

16,00

48,00

Perfil T de fierro

Estructura de la cámara de combustión

16,00

48,00

Platina de fierro

Estructura de la cámara de combustión

3,30

20,00

Ladrillo refractario

Forro térmico de la cámara de combustión

2,80

65,40

Plancha de acero galvanizado

Ducto interno de cámara IC

67,20

44,30

Plancha de acero galvanizado

Ducto externo de cámara IC

67,20

48,40

Lana de vidrio

Forro térmico del IC

43,30

51,90

Plancha de acero galvanizado

Ductos de ingreso de aire y salida de humos

68,30

204,90

Planchas de acero inoxidable

Carcasa externa de la cocina

51,50

57,70

51,50

65,90

51,50

28,80

Total (N. S.)

1 082,00

* El precio unitario fue cotizado para construir mil cocitermas. Elaboración propia

158 PREMIO ODEBRECHT 2013

La inversión inicial de la cociterma es de 1682 nuevos soles. El costo de la madera oscila entre los 0,60 y 1,20 nuevos soles por kilogramo de madera (MINAG - DGFFS 2013). De esto complementado con los datos presentados en ahorro en el consumo de combustible se obtiene los siguientes datos:

Madera ahorrada

Nuevos soles

Tipo de cocina Costos de la madera Ahorro diario por familia

kg de madera

1,44

kg de madera

Costo de la madera

Inversión inicial 1682

4,90

1,20

Nuevos soles / kg de madera

0,60

Nuevos soles / kg de madera

Tradicional Costo máximo S/. 5,88

Mejorada

Costo mínimo S/. 2,94

Costo máximo S/. 1,73

Costo mínimo S/. 0,86

Se considera que Cociterma tendrá un tiempo de vida estimado de 10 años. Este dato es útil para obtener la tasa interna de retorno (TIR) en caso de que el usuario cambie su cocina tradicional a cociterma, y el precio de la madera sea el máximo: Flujo de caja

Tradicional - Costo máximo

S/. 5.88

3650 días

TIR diario

TIR anual

0.35 %

2.57 %

S/. 1,682

Para los demás escenarios, la TIR anual es cercana al cero. Esto se debe a que solo se considera el costo de la mejora en el proceso; es decir, cuánta madera menos se utiliza. Sin embargo, otros costos más importantes no se consideran por ser difíciles de cuantificar; por ejemplo, se tiene la siguiente lista de costos asociados al uso de las cocinas tradicionales:

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 159

Costo en servicios de salud y medicinas incurridas en calmar enfermedades provocadas por la constante exposición a los gases de la combustión, así como la pérdida de fuerza laboral por motivo de descansos médicos. El uso de cociterma genera ahorros asociados a la salud pública al reducir los problemas de salud considerablemente.

Los costos mencionados se reducirán notablemente con cociterma. Esto se debe a que el proyecto busca solucionar los problemas generados por el uso de leña en más de 8 millones de usuarios y dichas reducciones de costos, por su naturaleza de indicador social, no se manifiestan en la TIR. Cabe resaltar que, aunque estos datos no han sido considerados en la TIR, solo con el ahorro en el consumo de leña se logra con éxito obtener una TIR positiva.

Costos provocados por la contaminación ambiental debido al dióxido y monóxido de carbono. Costos relacionados con la baja calidad de vida de los pobladores que provoca una disminución en su productividad.

7. CONCLUSIONES

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// En la búsqueda de la optimización del uso de la leña como combustible, la solución propuesta, el sistema integrado cociterma, logra aprovechar en un 75 % el calor ofrecido por la madera, generando un ecosistema sostenible y saludable para los usuarios y su entorno, reduciendo la emisión de CO2 en la misma proporción. Esta reducción de emisión de CO2 se traduce en 1250 gramos por día por familia, lo que equivale a dejar de emitir 456 kg de CO2 anuales por familia. Se reducirán los costos en servicios de salud y medicinas incurridas, así como en calmar enfermedades provocadas por la constante

160 PREMIO ODEBRECHT 2013

exposición a los gases de la combustión. Asimismo, el uso de materiales, como ollas y utensilios de acero inoxidable, impedirán la presencia de bacterias patógenas que son comunes en las ollas y cocinas tradicionales. El diseño de la cociterma ha sido uno de los elementos vitales para poder maximizar el aprovechamiento de la leña. Esto se debe a las formas de sus piezas fundamentales y la integración funcional entre estas; por ejemplo, la cámara de combustión, la parrilla en V, el intercambiador de calor y el neutralizador de gases, entre otras. Por otro lado, la propiedad de retención de calor de

las piedras, en conjunto con el aire estático en la cámara de combustión, hace que se mantenga el calor sostenidamente luego de que se consume la leña, generando un efecto de calefacción en el ambiente en donde se encuentra el artefacto.

El uso de leña es un recurso combustible renovable y autogestionable, que, a través de cociterma, no solo evita la emisión de gases de efecto invernadero (CO 2), sino que promueve la reducción de dicho efecto mediante la reforestación sostenible.

Además, el sistema integrado cociterma no solo maximiza la eficiencia de la generación de calor por combustión, también aprovecha los gases emitidos en un intercambiador de calor que proporciona agua temperada. Este doble propósito se produce gracias al diseño compacto y funcional, así como al uso de materiales de alta eficiencia como el acero térmico de aleación de cobre y los aislantes térmicos utilizados en las cámaras de cociterma (ladrillo refractario y lana de vidrio). Los materiales utilizados en la construcción de cociterma aseguran una vida útil mínima de 10 años, y se debe dar mantenimiento solo a las partes de mayor desgaste, tales como los ductos de aire (acero galvanizado).

El conocimiento de la extracción de leña y las alteraciones en las cadenas tróficas son una herramienta para trabajadores de organizaciones de promoción, estudiantes universitarios y de institutos tecnológicos, interesados en difundir, promover y trabajar por el uso racional de los recursos a fin de no destruir, por desconocimiento o negligencia, la Tierra y el bosque que son el futuro de las generaciones venideras.

Con el presente proyecto, se pretende que las empresas apuesten por brindar soluciones tecnológicas modernas, económicamente accesibles y que impacten positivamente en el medio ambiente y en la sociedad de una manera sostenible en el tiempo.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 161

8. CONSIDERACIONES FINALES

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Realizar un plan de aprovechamiento de los recursos forestales será crucial para minimizar el efecto invernadero. Por ello, se recomienda realizar un estudio para seleccionar adecuadamente las especies de leña que se utilizarán en proyectos de reforestación para el autoconsumo (cocinar). Se deben tomar en cuenta los siguientes criterios: los objetivos de plantación, el horizonte temporal, la adaptabilidad y el rápido crecimiento. Todo lo mencionado anteriormente varía según la zona geográfica en donde se encuentre el usuario. Por ejemplo, en las zonas de sierra se sabe que la especie maderable autóctona más apropiada que se debe utilizar es el molle. Por otra parte, se debe considerar su ciclo de captura de carbono, es decir, debe evaluarse el punto de inflexión donde esta captura es máxima para realizar la tala.

162 PREMIO ODEBRECHT 2013

Se deberá desarrollar un plan de cambio para adoptar e incorporar las nuevas tecnologías propuestas por cociterma a las actividades cotidianas de los usuarios. Se debe complementar el plan de cambio de cocina con un registro de variables como: la cantidad de madera consumida por familia con cociterma, la cantidad emitida de CO2 y la percepción sobre ergonomía y funcionalidad del artefacto. De esta manera se podrá comprobar la efectividad del sistema propuesto, de modo que se pueda replicar la experiencia en otras regiones de Latinoamérica. Debemos recordar que la Tierra no la hemos heredado de nuestros antepasados, sino que la hemos tomado prestada de los hijos del futuro. ¡A cuidarla!

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IMPLEMENTACIÓN DE UN POZO FRIGOTÉRMICO BASADO EN EL EFECTO SEEBECK COMO SISTEMA ALTERNATIVO DE ILUMINACIÓN PÚBLICA EN CACHICADÁN (LA LIBERTAD)

ALUMNOS

Fredy Rodríguez Moreno Hosman Paredes García

ASESOR

Ricardo Narváez Aranda Universidad Privada Antenor Orrego

166 PREMIO ODEBRECHT 2013

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 167

1. INTRODUCCIÓN

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Con el efecto Seebeck se puede obtener energía eléctrica a partir de la diferencia térmica de dos corrientes de agua.

El presente trabajo propone la realización de un proyecto de construcción de un pozo frigotérmico basado en el efecto Seebeck para implementar un sistema alternativo de iluminación pública en el distrito de Cachicadán, pueblo incrustado en un valle interandino de la sierra, en la provincia de Santiago de Chuco, en el departamento de La Libertad. El distrito Cachicadán cuenta con un área geográfica pequeña; está ubicado aproximadamente entre los 2800 y 2900 metros sobre el nivel del mar; su clima por lo general es húmedo; y tiene una población de 6663 habitantes. Actualmente, la energía que se emplea para el alumbrado eléctrico en el distrito de Cachicadán la produce la hidroeléctrica del Cañón del Pato, y la administra Hidrandina S. A. Los costos de esta energía son muy elevados, y ello se refleja en los altos precios que deben pagar los habitantes por kilovatio. Esto ocasiona malestar en la población promedio de Cachicadán, que en su mayoría se dedica únicamente a la agricultura y artesanía.

168 PREMIO ODEBRECHT 2013

Cubrir a bajo costo la demanda de energía que supone la iluminación pública en el distrito de Cachicadán constituye un problema de impacto ambiental. Además, debido a que se ubica en un lugar alejado de la central hidroeléctrica, está expuesto a cortes continuos de energía eléctrica producidos por diversos fenómenos naturales que traen como consecuencia caídas de postes por desbarrancamientos y descargas eléctricas (rayos) que afectan al tendido de los cables de alta tensión encargados de llevar la energía a la población, dejándola sin iluminación, vulnerable a saqueos, lo cual conlleva que los pobladores recurran a fuentes de iluminación contaminantes. Se sabe que el abastecimiento de agua para consumo doméstico de la población proviene de dos lugares. Uno de estos lugares se encuentra ubicado en la parte superior del pueblo; de allí emana agua caliente a una temperatura promedio de 100 °C. El otro lugar son los manantiales cercanos al poblado ubicado a 950 metros sobre el nivel de Cachicadán, razón por la cual el agua llega a la población a una

temperatura promedio de 9 °C, con lo cual se obtiene una diferencia de temperatura de aproximadamente 91 °C. Ambos flujos de agua se almacenan en el mismo reservorio, donde se enfría el agua caliente hasta unos 50 °C, perdiéndose así la capacidad de generar energía del agua caliente. La red de distribución de agua es de PVC 1 y es afectada por el cambio de temperatura brusco, ya que el abastecimiento de agua a cada poblador se da durante un lapso de dos horas y luego se enfría por la temperatura del terreno.

a los hogares más pobres ya que su principal necesidad es la iluminación durante la noche. Es así que los objetivos principales del proyecto son generar energía de bajo costo, promover una cultura ambiental y generar iluminación pública continua para la población de Cachicadán, de modo que ello contribuya a un desarrollo sostenible y a mejorar la calidad de vida de sus pobladores.

Ante esta problemática, se plantea una alternativa de solución mediante la aplicación del efecto Seebeck, que permite obtener energía eléctrica a partir de la diferencia de temperaturas producidas por dos corrientes de agua (fría y caliente), característica que presenta la geografía natural del distrito de Cachicadán. La energía producida por la diferencia de temperaturas se transferirá a un condensador existente que almacenará la energía recolectada durante el día para suministrar a la red de alumbrado público durante la noche. Además, podrá abastecer

PVC = Termoplástico de cloruro de vinilo.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 169

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 2.1. DEFINICIÓN DE POZO FRIGOTÉRMICO

2.2. OBJETIVO DEL POZO FRIGOTÉRMICO

Un pozo frigotérmico es un sistema al que llegan dos flujos de agua (fría y caliente), de los cuales se aprovecha la diferencia de temperatura a través de la incursión de células peltier para generar energía eléctrica. Dicha energía se conducirá a un condensador eléctrico que a su vez distribuirá la energía durante las noches a la red de alumbrado público.

El pozo frigotérmico tiene como objetivo aprovechar la diferencia de temperatura que existe entre dos medios opuestos para generar energía eléctrica a través de la incursión de células peltier.

La célula peltier es un sistema compuesto por dos materiales semiconductores, uno con canal N y otro con canal P, unidos entre sí por una lámina de cobre. Si en el lado del material N se aplica la polaridad positiva de alimentación, en el lado del material P se aplica la polaridad negativa. La placa de cobre de la parte superior enfría; mientras que la inferior calienta. Del mismo modo, si se aplica calor a una de sus caras y frío a la otra, se puede generar energía eléctrica, lo que llamamos el efecto Seebeck.

El uso de un pozo frigotérmico ofrece las siguientes ventajas:

El condensador eléctrico es un dispositivo pasivo capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Este dispositivo se puede encontrar en cualquier red de energía eléctrica ya que se utiliza para almacenar energía sobrante y cubrir la máxima demanda horaria de energía.

170 PREMIO ODEBRECHT 2013

2.3. VENTAJAS DEL POZO FRIGOTÉRMICO

Produce energía eléctrica de bajo coste. Aprovecha al máximo los recursos hídricos propios de la localidad. Promueve el desarrollo sostenible evitando la contaminación del ambiente. Se obtienen beneficios adicionales por la venta de bonos de carbono. Se puede aplicar a todas las localidades donde existan aguas termales. La vida útil de cada célula peltier está estimada en veinte años. Produce agua apta para consumo humano. Genera trabajo y aumenta así la población económicamente activa.

2.4. ASPECTOS QUE CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE UN POZO FRIGOTÉRMICO Al diseñar un pozo frigotérmico se deben considerar los siguientes aspectos: La inversión inicial para montar este sistema La cantidad de energía eléctrica que se espera obtener La capacidad del condensador Las características y la cantidad de las células peltier empleadas La materia prima necesaria para su elaboración La temperatura de las aguas

2.5. MATERIA PRIMA QUE UTILIZA EL POZO FRIGOTÉRMICO La materia prima que emplea este sistema son dos flujos de agua: uno a un promedio de 100 °C (del cual se aprovechará el calor generado por el vapor) y el otro a 9 °C. 2.6. ESTRUCTURA DEL POZO FRIGOTÉRMICO El pozo frigotérmico presenta la siguiente estructura: Cisterna de dos niveles en el interior del pozo Estructura de protección del pozo Chimenea de vapor

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 171

3. PROBLEMÁTICA

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// A continuación se presenta la problemática que se abordará: El alumbrado público es administrado por la empresa Hidrandina S. A., el cual tiene un costo elevado que es representado por la alícuota obtenida de los recibos de luz de cada poblador en función de cada luminaria, con un máximo y un mínimo, y teniendo en cuenta las horas de uso del alumbrado público (véase el Cuadro 1). CUADRO 1 Costo por alumbrado público de una lámpara

Costo mensual

Elicuota

Casas por lámpara

Costo de lámpara (sin I.G.V.)

Máximo

S/. 4,02

S/. 16,08

S/. 18,97

Mínimo

S/. 2,81

S/. 11,24

S/. 13,26

Fuente: Recibos mensuales de consumo de energía eléctrica - Hidrandina S. A.

Se produce desperdicio de energía por el uso de luminarias incandescentes y por no implementar luminarias de tecnología LED que consumen un 75 % menos que una luminaria incandescente (véanse el Cuadro 2 y el Cuadro 3).

CUADRO 2 Diferencias cuantitativas de lámparas para alumbrado público

Vida útil en horas (hr)

Lámpara

Flujo luminoso en lúmenes (lm)

Consumo en watts (w)

Incandescente común

2 600 / 2 800

200

1 000

LED

2 600 / 2 800

50 000

Fuente: <http://www.asifunciona.com/tablas/leds_equivalencias/leds_equivalencias.htm>

172 PREMIO ODEBRECHT 2013

CUADRO 3 Diferencias cualitativas de lámparas para alumbrado público

LED

Incandescentes

Muy baja

Alta

Consumo eléctrico

Bajo

Alto

Eficiencia

Alta

Baja

Sensibilidad a la baja temperatura

Ninguna

Poca

Sensibilidad a la humedad

Ninguna

Poca

Alto

Bajo

Características Emisión de calor

Precio

Fuente: <http://www.asifunciona.com/tablas/leds_equivalencias/leds_equivalencias.htm>

Se hace un uso común y dependiente de la energía hidroeléctrica, la cual viene presentando cortes continuos debido a que la central hidroeléctrica se encuentra distanciada de la localidad. Cuando ocurren los apagones, la comunidad tiende a alumbrase con lámparas a querosene o a usar reflectores a batería no recargables (pilas). Estas pilas se desechan con la basura común, lo cual contribuye a la emisión de gases de efecto invernadero y a la contaminación del suelo y el agua subterránea. El 30 % de cada pila está compuesto por elementos tóxicos como mercurio, plomo, litio, cadmio y níquel; además, una pila alcalina contamina 167 000 (ciento sesenta y siete mil) litros de agua. Se produce deterioro de las instalaciones de la red de agua potable, ya que el régimen de trabajo máximo de una tubería PVC común es de 65 °C máximo, y teniendo en cuenta que el agua circula a una temperatura aproximada de 50 °C, esto la hace trabajar al límite.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 173

4. METODOLOGÍA Y HERRAMIENTAS

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Según un ensayo elaborado por Sarria y Rodríguez (2012) en el que trabajan con células peltier tipo TEC1-12726 de 400 W, estas presentan las siguientes características: Tipo: TEC1-12726

Célula Peltier

400 W 12 V Couples: 127 Imax [A]: 10 Vmax [V]: 15,4 QCmax [W]: 177,8 Tmax °C: 68 Dimensiones: 50 x 50 x 3,65 mm [2 x 2 x 0,15’’] Longitud del alambre: 101 mm [4’’] Sellado completamente para la protección contra la humedad2

Se utilizaron células peltier en serie y en paralelo de cinco (5) unidades; las asociamos de distintos modos para calcular su rendimiento. Los cables se conectaron a un galvanómetro y a un amperímetro para comprobar la diferencia de potencial obtenida y la intensidad de corriente producida. Un circuito serie es aquel circuito en el que la corriente eléctrica solo tiene un camino para llegar al punto de partida; no importan los puntos intermedios. GRÁFICO 1 Esquema de asociación en serie (S)

Fuente: <http://www.aulastecnopole.com/trabajos/Memoria_SAUL-FERNANDO.pdf> 2 Se pueden usar células peltier caseras; estas se hacen a base de material reciclado como aluminio, zinc, cobre y arcilla. Estos materiales lo podemos encontrar en conservantes de productos industriales, discos compactos, pilas y suelos de la zona.

174 PREMIO ODEBRECHT 2013

Un circuito paralelo es aquel circuito en el que la corriente eléctrica se bifurca en cada nodo. Su característica más importante es el hecho de que el potencial en cada elemento del circuito tiene la misma diferencia de potencial. GRÁFICO 2 Esquema de asociación en paralelo (P)

G G G G G Fuente: <http://www.aulastecnopole.com/trabajos/Memoria_SAUL-FERNANDO.pdf>

Un circuito mixto es aquel circuito que es una combinación de elementos tanto en serie como en paralelos. GRÁFICO 3 Esquema de asociación mixta (M1)

G G

GRÁFICO 4 Esquema de asociación mixta (M2)

Fuente: <http://www.aulastecnopole.com/ trabajos/Memoria_SAUL-FERNANDO.pdf>

G Fuente: <http://www.aulastecnopole.com/ trabajos/Memoria_SAUL-FERNANDO.pdf>

Mantuvimos el agua caliente entre 64 °C y 68 °C; y el agua fría, a una temperatura entre los 9 °C y 12 °C. Una vez probadas las distintas asociaciones, obtuvimos los siguientes valores de intensidad y fuerzas electromotrices (véase el Gráfico 5).

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 175

GRÁFICO 5 Resultados de distintas asociaciones 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0,000 Conexión en serie (S)

Conexión en paralelo (P)

Conexión mixta (M1)

Conexión mixta (M2)

F.E.M. (V)

3,000

0,600

1,800

Intensidad (A)

0,700

3,500

1,714

2,000

W (J)

2,100

3,086

3,600

Dónde: F.E.M (V) = Fuerza Electromotriz máxima; A= Amperios; W(J)= Joules Fuente: <http://www.aulastecnopole.com/trabajos/Memoria_SAUL-FERNANDO.pdf>

La máxima fuerza electromotriz, es decir, el mayor voltaje, se obtuvo en la asociación (S) -3,000 V- y la máxima intensidad en la (P) -3,500 A-. Sin embargo, la mayor cantidad de energía por segundo se registró en las conexiones M1 y M2 con un cálculo en ambas de 3,086 y 3,600 J, respectivamente. De estas, la M2 presenta mayor valor de intensidad de corriente -2,000 A, pero ambas igual d.d.p.3 -1,80 V-. Teniendo en cuenta los resultados con una célula peltier: Diferencia de potencial (d.d.p.) = 0,6 V Intensidad (I) = 0,7 A La energía generada en una hora: W = I x V x t W = (0,7 A) x (3600 seg.) x (0,6 V) = 1512,00 w = 1512 Kw 3

Diferencial de potencial

176 PREMIO ODEBRECHT 2013

Sabiendo que: Una lámpara incandescente para alumbrado público de 200 w consume 0,2 Kw en una hora. Una lámpara LED para alumbrado público de 30 w consume 0,03 Kw en una hora. Una célula peltier ilumina 7,56 lámparas incandescentes de 200 w y a 50,4 lámparas LED de 30 w. Entonces, un pozo frigotérmico de cinco (5) células podría almacenar 182,52 Kw en un condensador existente en la ciudad. Teniendo en cuenta que las luminarias están encendidas durante doce (12) horas, el consumo de energía sería de 2,4 Kw por una lámpara incandescente y de 0,36 Kw por una lámpara LED; entonces, la energía almacenada nos alcanzaría para iluminar 76 lámparas incandescentes de 200 w y 507 lámparas LED de 30 w. Con dos estaciones podríamos iluminar todo el pueblo usando lámparas LED de 30 w.

5. SOLUCIÓN PROPUESTA

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Se propone la construcción de un pozo frigotérmico que aproveche la diferencia de temperatura de los dos flujos de agua para generar energía eléctrica. Para ello debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones:

diseñada con una red de tuberías y válvulas para que se puedan controlar ambos flujos de agua y la temperatura de la parte inferior de la cisterna con el fin de que la célula peltier no esté expuesta a temperaturas superiores a su temperatura máxima de diseño.

Las dimensiones del pozo deben ser las siguientes:

La célula peltier está ubicada sobre el aislante térmico, el cual está diseñado para conducir el calor hacia la cara inferior de la célula peltier. Asimismo, en la parte superior, el agua fría se encarga de disminuir la temperatura. Ambas caras de la célula peltier están protegidas del agua: en la parte inferior, por una plancha de fierro galvanizado; y en la parte superior, por una bolsa de PVC.

Base: Ancho: Profundidad:

2,0 m 1,5 m 0,8 m

Los materiales que se usen en su construcción deberán ser típicos de la zona: para la base, mampostería de piedra; para los muros, adobe; y para la cobertura, un techo liviano. El punto de captación del agua será en la red de aducción y lo más cercano al manantial de agua caliente. Para que desvíen el agua de la red de aducción hacia el pozo frigotérmico y consecuentemente hacia la cisterna interior, se instalará una red de tuberías y accesorios PVC4 para agua fría; y CPVC5, para agua caliente de 2’’. En la parte interior del pozo se implementará una cisterna de dos niveles (separados por un aislante térmico). En el primer nivel discurrirá el agua caliente, de la cual se aprovechará el calor generado por su vapor. En el segundo nivel discurrirá el agua fría. La cisterna está 4 5

La tubería de ingreso y salida de agua de la cisterna de ambos flujos es de 2” para así asegurar que no existirán estancamientos o rebalses de agua hacia fuera de la estructura. En la esquina de la cisterna aledaña a la pared del pozo se implementará una chimenea de vapor para evitar sobrepresiones en la parte inferior de la cisterna. Esta chimenea será de tubería CPVC de 2’’, la cual conduce al vapor hacia un filtro de arena que lo transformará en agua apta para consumo humano. Existirá un termómetro digital en cada uno de los niveles de la cisterna para tener una visión constante del comportamiento de las células.

PVC = Termoplástico de cloruro de vinilo CPVC = Termoplástico de policloruro de vinilo

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 177

GRÁFICO 6 Esquema del pozo frigotérmico

Elaboración propia

Para estimar el costo de la construcción y el montaje del pozo frigotérmico, se considerará que hay materiales que se encuentran en la zona a un coste menor (madera eucalipto, adobe piedra, teja artesanal), y otros materiales que se encuentran en ciudades aledañas a un costo menor (célula peltier, termómetro).

178 PREMIO ODEBRECHT 2013

CUADRO 4 Costo estimado de un pozo frigotérmico

Costo del montaje de un pozo frigotérmico Unidad

Cantidad

Precio

Parcial

Operario

1,00

90,00

Peón

1,00

50,00

UND M M M2 UND M3 M3 BLS M3 UND M UND UND UND UND M UND UND UND UND UND UND UND UND M UND UND

80,00 18,90 64,80 2,00 325,00 0,81 0,18 2,00 1,00 1,00 18,00 2,00 7,00 2,00 4,00 12,00 2,00 7,00 1,00 1,00 1,00 2,00 5,00 1,00 50,00 5,00 2,00

0,50 0,50 0,30 2,80 0,50 30,00 50,00 24,00 5,00 50,00 3,00 5,00 2,50 2,50 2,00 4,00 12,00 2,00 2,00 2,00 9,00 0,60 3,00 5,00 0,60 83,56 80,00

Mano de obra

Materiales Teja andina artesanal 35 x 20 cm Madera eucalipto rolliso, e = 4” Madera eucalipto rolliso, e = 2” Malla mosquitero Adobe 15 x 25 x 10 cm Piedra Arena gruesa Cemento Agua Puerta de madera inc/accesorios Tuberia CPVC D = 2” Válvula compuerta CPVC = 2” Codo 90º CPVC D = 2” TEE CPVC D = 2” Traciciones CPVC D = 2” Tubería PVC D = 2” Válvula compuerta PVC D = 2” Codo 90º PVC D = 2” TEE PVC D = 2” Traciciones PVC D = 2” Cemento PVC Cinta de Teflón Plancha de F.G. de 15 x 15 cm e = 2mm Bolsa PVC Cable indeco N.º 18 Célula Peltier TEC1-12726 DE 400 W Termometro digital

40,00 9,45 19,44 5,60 162,50 24,36 8,89 48,00 5,00 50,00 54,00 10,00 17,50 5,00 8,00 48,00 24,00 14,00 2,00 2,00 9,00 15,00 5,00 30,00 417,80 160,00

Equipo y herramientas Herramientas manuales

% M.O.

TOTAL (incluido I.G.V.)

3,00

4,20 S/. 1 338,75

Elaboración propia

Este presupuesto proyectado puede variar dependiendo de las condiciones económicas de la población, pues la mayoría de los materiales tienen sustitutos. Un claro ejemplo es la célula peltier, ya que

si la elaboramos de manera casera nos ahorraríamos el 50 % de costo original; otro material es el adobe ya que se puede reemplazar por una cercha (madera y barro); y así sucesivamente.

Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 179

6. SOSTENIBILIDAD

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// La sostenibilidad de este proyecto del pozo frigotérmico se puede apreciar en términos tanto ambientales como económicos y sociales.

Costo mensual de energía que consume una lámpara sin el proyecto: Máximo: S/. 18,97 mensual Mínimo: S/. 13,26 mensual

a) Términos ambientales El pozo frigotérmico aprovecha eficientemente el recurso hídrico de esta comunidad, ya que antes de la implementación de este proyecto se desperdiciaba esta capacidad de generar energía a partir del diferencial de temperatura.

El costo mensual de operación disminuye conforme el proyecto abastece a más lámparas de alumbrado público. Bombilla o lámpara LED

Los materiales utilizados en su construcción son similares a las que se usan en la construcción de cualquier casa del poblado para no alterar el equilibrio del medio ambiente. La implementación de este sistema nos evita la contaminación que produce la industrialización de las grandes empresas generadoras de energía.

b) Términos económicos Considerando el costo del pozo frigotérmico, realizamos un análisis costo-beneficio con el fin de apreciar el impacto económico durante el tiempo útil del proyecto. Una vez ejecutado el proyecto, pasará a la administración de la municipalidad distrital o a la junta vecinal. Costo del pozo: S/. 1338,75 Costo de operación: S/. 750,00 mensual (sueldo mínimo vital)

180 PREMIO ODEBRECHT 2013

Bombilla o lámpara de LED para alumbrado público 30 W y compuesta por 30 LED que la dotan de gran luminosidad, 2 800 lm. Adecuada para la sustitución de lámparas 1 X HIT-CE 35 W /1 X TC-TEL 42 W. Costo: S/. 379,75 El costo de la implementación de lámparas LED podría darse a través de un proyecto de inversión pública, o a medida que se cumple la vida útil de cada lámpara incandescente se reemplaza por una lámpara LED para que no implique gastos adicionales en el proyecto. Tomando en cuenta las consideraciones mencionadas, realizamos una comparación de costos sobre dos escenarios. En uno se usa lámparas incandescentes y en otro

se usa lámparas LED, abasteciéndose de energía eléctrica. Además, se compara los costos de cada escenario con los costos de implementación y mantenimiento del pozo frigotérmico. CUADRO 6 Comparación de costos

Costo de iluminación con energía eléctrica 76 lámparas incandescentes Mes/Costo

Costo de iluminación con pozo frigotérmico

507 lámparas LED

Costo del pozo

Rentabilidad

Mensual

Acumulado

Mensual

1 338,75

mes 1

1 007,76

6 722,82

750

2 088,75

mes 2

1 007,76

2 015,52

6 722,82

13 445,64

750

2 838,75

mes 3

1 007,76

3 023,28

6 722,82

20 168,46

750

3 588,75

Acumulado Mensual Acumulado Incandescente LED

mes 0

mes 4

1 007,76

4 031,04

6 722,82

26 891,28

750

4 338,75

mes 5

1 007,76

5 038,80

6 722,82

33 614,10

750

5 088,75

mes 6

1 007,76

6 046,56

6 722,82

40 336,92

750

5 838,75

mes 7

1 007,76

7 054,32

6 722,82

47 059,74

750

6 588,75

Elaboración propia

A partir de la lectura del Cuadro 6, podemos afirmar lo siguiente: El costo mensual del alumbrado público que están pagando los pobladores es el mínimo si asumimos un costo máximo o promedio. Cuando el costo de implementación más el costo mensual acumulado de la operación del pozo frigotérmico es menor al costo mensual acumulado que vienen pagando los pobladores por el concepto de alumbrado público, entonces podemos decir que el proyecto es rentable.

c) Términos sociales Promueve una cultura ecológica. Este sistema de iluminación no solo es aplicable para el alumbrado público, sino que también se puede implementar en una escuela, en un complejo deportivo y hasta en un hogar. Genera oportunidad de trabajo y desarrollo de la población.

El proyecto sería rentable a partir del sexto mes de su implementación, considerando que se utilizarían cinco (5) células peltier en serie (S) y que las lámparas de alumbrado público son incandescentes. El proyecto sería rentable desde el primer mes si asumimos que las lámparas del alumbrado público son LED. Cinco proyectos para cambiarle la cara al mundo 181

7. CONCLUSIONES

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El pozo frigotérmico aprovecha eficientemente el recurso hídrico de la comunidad a través de la diferencia de temperatura como una aplicación del efecto Seebeck. En la implementación del pozo frigotérmico se usan materiales de construcción similares a los que se usan en la construcción de cualquier casa del poblado, lo cual permite conservar el equilibrio del medio ambiente. Los residuos de vapor son captados para transformarlos en agua apta para consumo humano. Mediante la aplicación del efecto Seebeck se logra optimizar costos en lámparas LED e incandescentes. La implementación del presente proyecto promueve el trabajo corporativo entre la población y las autoridades. La implementación del presente proyecto mejora el estatus económico de la población en general.

8. CONSIDERACIONES FINALES

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// El proyecto se presenta como una propuesta viable para aplicarla en el distrito de Cachicadán, pero se puede implementar en cualquier otro pueblo que presente flujos de agua fría y caliente. Además, se pueden hacer modificaciones en el proyecto para captar el calor y el frío de otros tipos de recursos naturales, ya que el principal factor para generar energía eléctrica es la diferencia de temperatura. También se debe considerar que la población en donde se plantea implementar este proyecto debe poseer un alumbrado público con trasformadores o condensadores para que el proyecto sea rentable y sostenible.

182 PREMIO ODEBRECHT 2013

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