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INTRODUCCIÓN
El presente estudio de las propiedades del marabú, Dichrostachys cinerea (L.) como combustible, se ha dividido en dos partes. La primera abarca: la composición elemental, el análisis inmediato, el contenido de ceniza, la composición química de la ceniza y el calor de combustión. La segunda parte incluye: la humedad y temperatura de la pila de marabú a la intemperie en función del tiempo, la composición microbiana, la granulometría y el ángulo de reposo de la pila.
La agroindustria azucarera, a base de caña de azúcar, es una importante fuente de biomasa (bagazo y residuos agrícolas cañeros) la que constituye una transcendental fuente renovable de energía para la generación de electricidad; pero, esta industria tiene el inconveniente de que solo labora una parte del año, lo que hace poco rentable las inversiones para la generación de electricidad. Para minimizar este problema se trabajan dos vías, la hibridación de su biomasa y la energía solar térmica (Konrad et al., 2015) y (Herrera et al., 2019) y el uso de combustibles complementarios (fósiles y renovables) para generar electricidad la mayor parte del año (Rubio-González et al., 2019).
Para el año 2030, Cuba se ha propuesto generar el 14 % de su electricidad con biomasa. Esta meta tiene su sustento en la construcción de un grupo de bioeléctricas (plantas de generación de electricidad con biomasa cañera y altos parámetros de vapor) anexas a centrales azucareros, pero dicha biomasa cañera no es suficiente para que la planta opere largos períodos (al menos 300 días al año) que hagan favorables los indicadores financieros, en especial el período de recuperación de la inversión. Lo anterior ha llevado a la búsqueda de otras biomasas que puedan ser empleadas como combustibles complementarios y que permitan operar un tiempo adecuado.
El marabú existe en Cuba en grandes cantidades, se estiman 1,14 millones de ha con una densidad media de 37 t/ha (Hernández et al., 2017). Esto ha hecho que se identifique como un importante combustible complementario para las bioeléctricas (MINAG, 2019), aunque tiene una limitante, pues es finito en el tiempo, ya que las tierras cultivables que se liberen al cosecharlo deberán dedicarse a la producción de alimentos (Vidal et al., 2015).
Durante años, se han realizado muchos estudios del marabú con diferentes finalidades (producción de carbón vegetal, carbón activado y energía) pero prácticamente todos han tenido la característica que las muestras tomadas han sido del tronco y ramas gruesas y con criterios selectivos, en ningún caso se encontraron estudios amplios con las condiciones con que se obtiene al ser cosechado con una máquina. Los estudios existentes, aunque con esa característica apuntada, tienen un importante valor informativo y comparativo.
Los análisis elementales de marabú, reportados, presentan un bajo contenido de carbono y alto de oxígeno, lo que se corresponde con un combustible orgánico joven. El reporte de presencia de azufre y cloro en su composición resulta interesante por tratarse de una biomasa, mientras que el contenido de ceniza resulta típico para este tipo de biomasa de origen forestal (C= 46,34-49,40; H=3,33-6,12; N=0,44-0,79; O=40,24-49,28; S=0,05-0,49; Cl=0,06 y Ceniza=2,35-3,4 todos en por ciento de masa seca); en cuanto a análisis inmediato los valores reportados se encuentran en rangos estrechos (Carbono fijo=19,23-19,34 % y Volátiles=77,26-78,9 %) (Abreu-Naranjo et al., 2010); (Travieso y Kaltschmitt, 2012) y (Cantos et al., 2017).
El calor de combustión inferior de la masa seca se reporta que oscila entre 16,24 y 17,04 MJ/kg, mientras que el superior lo hace entre 18,06 y 20,20 MJ/kg (Abreu-Naranjo et al., 2010); (Guyat-Dupuy et al., 2014); (Cantos et al., 2017); (Alba-Reyes et al., 2018) e (INAF, 2018).
La composición de la ceniza se encontró solo en (Travieso y Kaltschmitt, 2012), donde se destaca como elemento predominante el Ca y se da el índice de álcali (0,08 kgalcali/GJ) el que reporta como inferior al de otras biomasas y similar al del bagazo.
En Cuba, durante los años 2011 al 2015, se llevó a cabo el proyecto Aprovechamiento de la biomasa de marabú y otras especies energéticas como combustible en la generación de electricidad y recuperación ambiental en Camagüey, pero en sus artículos e informes no se encontraron reportes de propiedades como combustible del marabú cosechado mecanizadamente (Martínez et al., 2015) y (Paredes y Padrón, 2015).
Las bioeléctricas demandan grandes cantidades de marabú como combustible, lo que obliga a la mecanización de su cosecha, es de suponer que las propiedades de la biomasa obtenida mecanizadamente, sean diferentes a las ya estudiadas, pues esta biomasa incluye todas las partes de la planta (tronco, ramas gruesas y finas, hojas y flores) y tierra por la forma de cosecharla. Esta posible diferencia lleva a la necesidad de evaluar sus propiedades, por lo que el presente trabajo tiene como objetivo: determinar la composición elemental, el análisis inmediato, el contenido de ceniza, la composición química de la ceniza y el calor de combustión del marabú como combustible, cosechado con la máquina BMH-480 con el cabezal H 600.
Adicionalmente, el conocimiento de la influencia de los factores a estudiar, en las propiedades del marabú cosechado, contribuirá a establecer estrategias de corte para su abasto a las bioeléctricas.
MATERIALES Y MÉTODOS
En la metodología establecida para el estudio de las propiedades y que a continuación se describe: se decidieron dos variables a considerar: densidad de campo (masa de biomas/área) y condiciones de la máquina durante la cosecha (altura de corte). Se tuvieron como constantes, a saber: tipo de suelo (pardo) y condiciones climáticas de la cosecha (seca). Las muestras proceden de la biomasa cosechada con la máquina BMH 480 con el cabezal H 600, que es la importada en el país para estas labores. Las variaciones previstas para las variables consideradas fueron:
Densidad de campo: 1 Alta (≈100 t/ha), 2 Media (≈75 t/ha), 3 Baja (≈50 t/ha).
Altura de corte: 1 Alta (25 cm), 2 Baja (8 cm)
Las densidades de campo y las alturas de corte se establecieron a partir de la experiencia de los operadores de las máquinas y las características de éstas. Las muestras para los estudios se tomaron en áreas de la Empresa La Cuba, provincia de Ciego de Ávila, Cuba. Una vez efectuada la cosecha por la máquina (nunca menos de 3 t) la biomasa era descargada en el terreno formando una pila, de la que de forma manual se tomaba la muestra (mínimo 3, de diferentes puntos de la pila y de aproximadamente 1 kg). El material se mezclaba y se reducía su humedad (desde humedad natural hasta la de equilibrio 10 -12 %) en una estufa para poder triturarlo en un molino de cuchillas, hasta obtener un polvo (partículas menores de 1 mm). El material obtenido se dividió en partes iguales para las diferentes pruebas. La selección de la muestra final, para las diferentes pruebas, se realizó mediante un sistema de cuarteo.
El análisis elemental se realizó en el Department of Green Chemistry and Technology (DGChT) de la Universidad de Gante (UGent) en Bélgica. Se utilizó el analizador Thermo Scientific™ FLASH 2000 CHNS/O, calibrado con estándares de metionina, BBOT y cisteína. El oxígeno se determinó por diferencia. Cada muestra (de masa seca) se evaluó por triplicado.
El análisis inmediato se realizó en la institución belga ya mencionada. Los volátiles se determinaron por la norma (ASTM E872-82, 2013) y la ceniza por la (ASTM E1755-01, 2015). El carbono fijo se determinó por diferencia. Cada muestra (de masa seca) se evaluó por duplicado.
El contenido de ceniza se replicó en el Laboratorio de Bioenergía del Instituto de Energías Renovables (IER) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). En las pruebas se empleó la mufla Felisa, modelo FE-340 y se siguió la norma (NMX-F-284-SCFI, 2011). Las muestras se evaluaron por triplicado y para la masa de trabajo (humedad diferente de cero). La humedad se determinó con el horno Riossa, modelo HD-35 y se empleó la norma (NOM-247-SSA1, 2008). Los resultados se llevaron a masa seca mediante cálculos.
Para la composición química de la ceniza, las muestras fueron reducidas a ceniza en el Laboratorio de Análisis Químico de la UCLV y los análisis se realizaron en el Centro de Investigaciones Agropecuarias (CIAP) de la UCLV, mediante absorción atómica con el Espectrofotómetro Pye Unican SP-9. Esto permitió determinar la composición en porciento de iones y mediante conversión analítica se obtuvieron los porcientos de los óxidos correspondientes. Los iones de Si, Al y P no pudieron ser determinados.
El calor de combustión se evaluó por dos vías. La primera, se calculó por el modelo de Channiwala y Parikh referido en (Wigley et al., 2016) teniendo en cuenta la composición elemental y el contenido de ceniza, se efectuó con los datos obtenidos en Bélgica (masa seca). La segunda, se determinó la humedad de cada muestra y se midió en un calorímetro el calor de combustión superior para la masa de trabajo (tres repeticiones) y se calculó su valor para la masa seca. Estas pruebas se hicieron en la UNAM, con el calorímetro 6400 Automatic Isoperibol Calorimeter de Parr Instruments Company; se utilizó la norma (ISO 1928, 2009) y (BS 1016-5, 1967).
Con vista a ampliar la información, se evaluó el contenido de ceniza de las partes de la planta en la UNAM y en el Laboratorio de Análisis Químico de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) utilizándose: mufla Undian, estufa Selecta y balanza analítica Sartorius. Las muestras seleccionadas fueron de la madera (A), las ramas gruesas (B), la corteza (C), los rebrotes (D) y las hojas (E). Todas las muestras se tomaron de forma manual, de un mismo campo y de varias plantas, y fueron secadas en estufa y molidas. Cada muestra a analizar se obtuvo por cuarteo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados del análisis elemental se muestran en la Tabla 1. Observando los valores obtenidos puede notarse una ligera tendencia al incremento del C y el H con el aumento de la altura de corte y por el contrario una disminución del O. El N tiene un comportamiento aleatorio. La densidad del campo no ejerce influencia. Los valores promedio de todas las muestras, en por ciento de la masa orgánica seca, fueron: C=44,43; H=5,75, N=1,35; O=48,47 y S no se detectó. Comparando los valores promedio con los de (Cantos et al., 2017) que los da también para la masa orgánica seca, se puede ver que el C resulta ligeramente menor, el H y el N por encima y el O en un rango similar.
Tabla 1 Composición elemental de la masa orgánica seca (%)
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|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Alta | Baja | 42,9 | 5,4 | ND | 1,3 | 50,4 | 20,53 |
| Media | Baja | 44,1 | 5,8 | ND | 1,4 | 48,7 | 21,45 |
| Baja | Baja | 43,2 | 5,5 | ND | 1,4 | 49,9 | 20,77 |
| Alta | Alta | 45,6 | 5,9 | ND | 1,1 | 47,4 | 22,16 |
| Media | Alta | 45,6 | 6,0 | ND | 1,2 | 47,2 | 22,22 |
| Baja | Alta | 45,2 | 5,9 | ND | 1,7 | 47,2 | 22,03 |
| Promedio | 44,43 | 5,75 | ND | 1,35 | 48,47 | 21,53 | |
| ND- No detectado Qs - Calor específico de combustión superior (MJ/kg) | |||||||
Los análisis inmediatos se muestran en la Tabla 2. Se observa en este caso una ligera tendencia a incrementar los volátiles con la altura de corte y a una muy ligera disminución del carbono fijo. La densidad del campo no ejerce influencia tampoco en este caso. Los valores promedio de todas las muestras, en por ciento de la masa seca, fueron: Volátiles 72,28; Carbono fijo 23,65 y Ceniza 4,07. Comparando estos valores con los reportados en la introducción se encuentra que los volátiles disminuyen un 6,45 % respecto al menor valor, el carbono fijo incrementa un 22,28 % y la ceniza incrementa un 19,71 % estos dos últimos respecto a los valores superiores reportados.
El contenido de ceniza evaluado en México se presenta en la Tabla 3.
Tabla 2 Análisis inmediato de la masa seca (%)
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|---|---|---|---|---|
| Alta | Baja | 72,2 | 24,0 | 3,8 |
| Media | Baja | 71,8 | 23,8 | 4,4 |
| Baja | Baja | 70,6 | 23,7 | 5,7 |
| Alta | Alta | 72,7 | 23,7 | 3,6 |
| Media | Alta | 73,0 | 23,4 | 3,6 |
| Baja | Alta | 73,4 | 23,3 | 3,3 |
| Promedio | 72,28 | 23,65 | 4,07 | |
Tabla 3 Contenido de ceniza del marabú
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|---|---|---|---|---|---|---|
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| Alta | Baja | 1 | 6,25 | 4,10 | 4,38 | 4,59 |
| 2 | 6,23 | 4,14 | 4,41 | |||
| 3 | 6,23 | 4,67 | 4,98 | |||
| Media | Baja | 1 | 6,11 | 4,48 | 4,77 | 4,81 |
| 2 | 6,11 | 4,08 | 4,35 | |||
| 3 | 6,10 | 5,00 | 5,32 | |||
| Baja | Baja | 1 | 6,87 | 4,53 | 4,86 | 5,03 |
| 2 | 6,95 | 4,76 | 5,12 | |||
| 3 | 6,91 | 4,75 | 5,10 | |||
| Alta | Alta | 1 | 5,41 | 3,53 | 3,73 | 3,52 |
| 2 | 5,44 | 3,10 | 3,28 | |||
| 3 | 5,43 | 3,36 | 3,56 | |||
| Media | Alta | 1 | 5,55 | 4,00 | 4,23 | 4,15 |
| 2 | 5,64 | 3,80 | 4,02 | |||
| 3 | 5,56 | 3,95 | 4,19 | |||
| Baja | Alta | 1 | 5,53 | 4,31 | 4,57 | 4,56 |
| 2 | 5,58 | 4,24 | 4,49 | |||
| 3 | 5,57 | 4,37 | 4,63 | |||
| Promedio general del contenido de ceniza de la masa seca | 4,45 | |||||
Con el contenido de ceniza evaluado en Bélgica (Tabla 2) y el evaluado en México (Tabla 3) se confeccionó, a modo de resumen, la Tabla 4.
Tabla 4 Valores medios de contenido de ceniza para dos alturas de corte y tres densidades de campo incluidas en el estudio
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|---|---|---|---|
| Altura de corte | Baja | 4,63 | 4,81 |
| Alta | 3,50 | 4,08 | |
| Densidad del campo | Baja | 4,50 | 4,80 |
| Media | 4,00 | 4,48 | |
| Alta | 3,70 | 4,06 | |
| Promedio general | 4,07 | 4,45 | |
Se puede afirmar que el contenido de ceniza disminuye con el incremento de la altura de corte, lo que se atribuye a la menor cantidad de tierra que se incorpora a la biomasa en esas condiciones. Al aumentar la densidad del campo el contenido de ceniza tiende a disminuir también. Esto tiene su origen en el incremento de la parte que es madera y ramas gruesas en el campo de marabú, lo que es característico de campos de alta densidad en que las plantas son más adultas (más años de crecimiento). Esas fracciones tienen un menor contenido de ceniza como puede verse en la Tabla 5.
Tabla 5 Contenido de ceniza en partes de la planta de marabú (% masa seca)
| Pruebas en Cuba (UCLV) | 1,63 | 4,58 | 6,48 | 6,58 | 9,15 |
| Pruebas en México (UNAM) | 1,56 | 4,49 | 6,50 | 7,20 | 9,16 |
| Nota: Muestras cosechadas manualmente en campo de densidad media | |||||
Los valores medios de la ceniza en los dos estudios efectuados (Tabla 4) resultaron 4,07 y 4,45 % lo que permite considerar un valor medio general de 4,26 %, el que resulta muy superior a lo reportado en la literatura consultada. Esto se debe a que cuando el marabú es cosechado con máquinas se incrementa la inclusión de tierra en la biomasa.
En la Tabla 6 puede verse la composición química (% en masa de los óxidos) de la ceniza del marabú. En este caso predominan: el Ca2O (46,53 %), el Fe2O3 (11,46 %) y los álcalis (K2O + Na2O) que varían entre un mínimo de 4,44 y un máximo de 8,05, el valor medio es de 5,80 %.
Tabla 6 Composición química de la ceniza del marabú (% en masa)
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|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Alta | Baja | 32,217 | 3,217 | 0,018 | 0,052 | 15,671 | 0,124 | 5,663 | 0,755 |
| Media | Baja | 40,635 | 3,736 | 0,018 | 0,034 | 13,196 | 0,119 | 5,071 | 0,752 |
| Baja | Baja | 42,473 | 4,232 | 0,019 | 0,020 | 18,185 | 0,176 | 7,338 | 0,709 |
| Alta | Alta | 36,513 | 2,924 | 0,013 | 0,009 | 7,455 | 0,013 | 5,000 | 0,437 |
| Media | Alta | 78,033 | 3,338 | 0,014 | 0,006 | 10,621 | 0,046 | 4,225 | 0,414 |
| Baja | Alta | 46,491 | 2,978 | 0,013 | 0,005 | 3,617 | 0,036 | 4,046 | 0,398 |
| Promedio | 46,527 | 3,404 | 0,015 | 0,021 | 11,458 | 0,085 | 5,224 | 0,577 | |
El calor específico de combustión superior de la masa seca, calculado en Bélgica, se mostró en la Tabla 1 y el determinado mediante calorímetro en México se puede ver en la Tabla 7.
Tabla 7 Calor específico de combustión del marabú (MJ/kg)
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|---|---|---|---|---|---|---|
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| Alta | Baja | 1 | 18,27 | 18,27 | 19,48 | 19,49 |
| 2 | 18,28 | 19,49 | ||||
| 3 | 18,27 | 19,48 | ||||
| Media | Baja | 1 | 17,83 | 17,83 | 18,99 | 18,99 |
| 2 | 17,84 | 19,00 | ||||
| 3 | 17,80 | 18,96 | ||||
| Baja | Baja | 1 | 17,24 | 17,27 | 18,51 | 18,55 |
| 2 | 17,33 | 18,63 | ||||
| 3 | 17,24 | 18,52 | ||||
| Alta | Alta | 1 | 18,94 | 18,94 | 20,02 | 20,03 |
| 2 | 18,95 | 20,04 | ||||
| 3 | 18,94 | 20,02 | ||||
| Media | Alta | 1 | 17,90 | 17,89 | 18,95 | 18,95 |
| 2 | 17,88 | 18,95 | ||||
| 3 | 17,90 | 18,96 | ||||
| Baja | Alta | 1 | 17,86 | 17,82 | 18,91 | 18,87 |
| 2 | 17,75 | 18,80 | ||||
| 3 | 17,84 | 18,89 | ||||
| Promedio general del calor de combustión superior de la masa seca | 19,15 | |||||
Los valores de calor de combustión superior medidos (Tabla 7) oscilan entre 18,55 y 20,03 MJ/kg (valor medio 19,15 MJ/kg) lo que está en el rango de lo reportado en la literatura referida en la introducción (Guyat-Dupuy et al., 2014); (Alba-Reyes et al., 2018). Los valores calculados (Tabla 1) están en el rango de 20,53 a 22,22 MJ/kg valores superiores a los reportados por los autores referidos anteriormente y a los medidos en este estudio.
En la Tabla 8 se presenta un resumen de los valores promediados para cada altura de corte y cada densidad de campo de las Tablas 1 y 7. Valorando los datos de esta tabla se puede concluir que existe una tendencia a incrementar el calor de combustión con la altura de corte, lo que es resultado, principalmente, de la disminución del contenido de ceniza. Por otro lado, los datos obtenidos no permiten una conclusión firme en cuanto a la posible influencia de la densidad del campo.
Tabla 8 Valores medios del calor específico de combustión superior de la masa seca para dos alturas de corte y tres densidades de campo incluidas en el estudio (MJ/kg)
| Altura de corte | Baja | 20,92 | 19,01 |
| Alta | 22,14 | 19,28 | |
| Densidad del campo | Baja | 21,40 | 18,71 |
| Media | 21,84 | 18,97 | |
| Alta | 21,35 | 19,76 | |
| Promedio general | 21,53 | 19,15 | |
En cálculos de ingeniería se emplea el calor de combustión inferior de la masa de trabajo (masa húmeda) el que se calcula con el calor de combustión inferior de la masa seca y la humedad de trabajo. Por lo anterior, se decidió calcular el valor de este último para las magnitudes extremas del calor superior de la masa seca (18,55 y 20,03 MJ/kg). Para este cálculo se empleó el modelo reportado en (Rubio-González, 2015) y un contenido de Hidrógeno de 5,75 % (ver Tabla 1). Los valores del calor de combustión inferior de la masa seca obtenidos fueron: 17,25 y 18,73 MJ/kg. Estos valores están ligeramente por encima de lo reportado en la literatura consultada (Abreu-Naranjo et al., 2010); (Guyat-Dupuy et al., 2014); (Cantos et al., 2017); (Alba-Reyes et al., 2018) e (INAF, 2018).
Este estudio permite recomendar para cálculos de ingeniería los valores medios siguientes: calor específico de combustión superior de la masa seca: 19,15 MJ/kg y calor específico de combustión inferior de la masa seca: 17,85 MJ/kg.
CONCLUSIONES
En el análisis inmediato del marabú cosechado con la máquina BMH-480 (cabezal H 600), se determinó un incremento de la ceniza de un 19,71 % y el carbono fijo de un 22,28 % respecto a los valores máximos reportados en la literatura citada (con cosecha manual) (Abreu-Naranjo et al., 2010); (Travieso y Kaltschmitt, 2012) y (Cantos et al., 2017).
El valor medio general del contenido de ceniza varía entre 4,07 y 4,45 %. El contenido de ceniza tiende a disminuir con el incremento de la altura de corte y con el aumento de la densidad del campo.
El contenido de álcalis en las cenizas varió desde 4,44 % hasta 8,05 % para un valor medio de 5,80 %.
Se determinó el calor específico de combustión de la masa seca, resultando el superior 19,15 MJ/kg y el inferior 17,85 MJ/kg. Se encontró una tendencia a incrementar el calor de combustión con la altura de corte. Por otro lado, los datos obtenidos no permitieron una conclusión firme en cuanto a la posible influencia de la densidad del campo.
El conocimiento de la influencia de los factores a estudiados, en las propiedades del marabú cosechado, permitirá establecer estrategias de corte para su abasto a las bioeléctricas en cuanto a campos a cosechar y altura de corte de la máquina.
