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INTRODUCCIÓN
El consumo de los recursos naturales y la emisión de sustancias contaminantes, la preservación del medio ambiente y el desarrollo sostenible son cuestiones que preocupan a la sociedad en su conjunto. Las nuevas estrategias desarrolladas para reducir el impacto ambiental derivado de la actividad industrial se basan en un enfoque integral con una mayor eficiencia de la utilización de los recursos materiales y energéticos, incrementando simultáneamente la productividad y la competitividad. Ello involucra la introducción de medidas tecnológicas y de gestión que permiten reducir los consumos de materiales y energía, prevenir la generación de residuos, reducir los riesgos operacionales; a través de todo el ciclo de producción y en todas las fases de desarrollo. Las modificaciones tecnológicas e innovaciones a los procesos industriales aparecen como conclusión de un proceso de búsqueda de un mejor desempeño productivo (Contreras, 2007), (Mellouk y Cuadra-Sanchez, 2014).
Una impronta de la época actual es el análisis integral de las soluciones que se proponen, por lo que se necesita usar herramientas que contribuyan a lograr soluciones sostenibles como la metodología del Análisis del Ciclo de Vida (ACV) que integra todos los impactos ambientales ocurridos a lo largo del ciclo de vida del producto y los relaciona con problemas ambientales específicos (Pérez, 2019). Además, permite establecer prioridades para definir las estrategias preventivas de mejoramiento del desempeño ambiental (Iglesias, 2012). El correcto empleo de la herramienta de análisis de ciclo de vida está normado por (ISO 14040, 2006) e (ISO 14044, 2006), (Iglesias, 2012).
La matriz energética, mezcla energética o mix energético es la combinación de fuentes de energía primaria que se utilizan en una zona geográfica, la cual puede ser un país, un continente o todo el mundo. Esta no solo incluye las fuentes empleadas, sino también el porcentaje de cada fuente. En algunos casos es posible utilizar indirectamente la energía primaria. En otros es necesario transformarla en energía secundaria, normalmente electricidad, lo que supondrá inevitablemente una pérdida de energía en forma de calor (Ruíz, 2021).
En Cuba la producción de energía eléctrica depende mayoritariamente de combustibles fósiles por lo que en una prioridad nacional mejorar la eficiencia energética, incrementar la generación con fuentes renovables, incrementar la exploración y exportación de petróleo, maximizar la generación con el gas acompañante del petróleo nacional. En un futuro se planea un cambio en dicha matriz y aumentar el porcentaje de las energías eólica, solar, biomasa e hidráulica (Cuba Apuesta Por Una Energía Más Limpia, Diversa y Eficiente).
Aunque se han hecho algunos aportes en este sentido todavía la matriz nacional está lejos de las metas trazadas, por lo que encontrar nuevas oportunidades para la que mejore la matriz energética nacional desde cada posible nicho se convierte en la problemática científica de las investigaciones (Fullana, 2002).
En Cuba no se ha llevado a cabo un análisis de ciclo de vida de la matriz energética y de la influencia de cada tipo de fuente de generación en los impactos asociados a diferentes categorías.
Actualmente se están realizando numerosos estudios para incorporar la biomasa como fuente de energía; esto, sin dudas constituye un reto que tiene dos aristas, una relacionada con la modernización de las estaciones de generación de energía a partir del bagazo de caña en los centrales azucareros y la otra con la implementación de nuevas bioeléctricas en el país, lo cual resulta importante y novedoso porque en Cuba no hay ningún central que tenga un secador de bagazo, esto permitiría que el bagazo al llegar a la caldera esté bien seco y pueda ser aprovechado correctamente en la misma. Es por ello que el objetivo del presente artículo es proponer oportunidades de mejoras en la cogeneración que contribuyan al fortalecimiento de la matriz energética cubana desde un enfoque de ciclo de vida.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se aplica la metodología ACV mediante la utilización del Software SimaPro y la metodología Recipe Midpoint, la cual integra todos los impactos ambientales ocurridos a lo largo del ciclo de vida el producto y su relación con problemas ambientales específicos para poder realizar un análisis integral de las soluciones que se proponen.
2.1 Análisis de ciclo de vida
En la tabla 1 se pueden observar los valores que componen la matriz energética actual en Cuba la cual presenta solo un 4,5% de generación de electricidad mediante fuentes renovables, además los valores de la matriz energética futura en Cuba la cual presenta el 24% de generación de electricidad mediante fuentes renovables. Según (Contreras, 2007) hasta el 2030, Cuba tiene ese porciento marcado como objetivo para que fuentes renovables generen ese porciento de electricidad. La CDN de Cuba se compromete a generar 19 plantas de energía bioeléctrica alimentadas con madera y/o residuos de caña de azúcar (755 MW), 13 parques eólicos (633 MW), energía solar fotovoltaica (700 MW) y 74 pequeñas centrales hidroeléctricas para un total de 2144 MW de energía renovable de aquí al 2030.
Tabla 1 Valores de contribución de cada tipo de energía a la matriz energética cubana. Fuente: Oficina Central UNE (Unión Eléctrica)
| Tipos de Energía | Matriz energética actual | Matriz Energética futura para el 2030 |
|---|---|---|
| Crudo | 45 % | 32 % |
| Fuel Térmicas | 15,1 % | 5 % |
| Fuel Motores | 18 % | 9 % |
| Gas Acompañante | 14,1 % | 8 % |
| Diésel | 3,3 % | 1 % |
| Biomasa | 3,7 % | 14 % |
| Hidráulica | 0,5 % | 1 % |
| Eólica | 0,1 % | 6 % |
| Solar | 0,2 % | 3 % |
| Otros combustibles Fósiles | - | 21 % |
Se consideró como Unidad funcional generar 1 kWh a partir del mix eléctrico actual en Cuba en el año 2020. La asignación se realizó teniendo en cuenta los porcentajes establecidos en el gráfico 1. La evaluación del impacto se realizó sin considerar los procesos de infraestructura.
El análisis de ciclo de vida no considerará los impactos ambientales generados por la transmisión y la distribución de energía, por lo que los resultados obtenidos se remitirán únicamente a un análisis “desde la cuna a la puerta” abarcando el proceso del producto energía desde su generación sin tener en cuenta el tipo de tecnología abordado hasta que se deposita el kWh de energía en el sistema de transmisión.
La conformación de los inventarios se realizó a partir de la base de datos Ecoinvent 3. Los inventarios de cada una de las energías fueron modificados de acuerdo con las condiciones de generación en Cuba mediante datos ofrecidos por Oficina Central UNE. Se realizó el inventario de la generación de energía a partir de la biomasa considerando trabajos precedentes realizados en esta industria (Pérez y col., 2013).
2.1.1 Inventario de biomasa cañera cubana
En la tabla 2 se reflejan los resultados obtenidos mediante balances de materiales y/o energía para poder introducir en SimaPro el inventario de la biomasa cañera.
Tabla 2 Inventario de biomasa
| Entradas y Salidas | Elementos | Unidad | Valor |
|---|---|---|---|
| Entradas conocidas de la naturaleza (recursos) | Uso del Suelo | m2/kWh | 0,018 |
| Agua | m3/kWh | 8,36E-04 | |
| Entradas conocidas de la tecnosfera (materiales/fuel) | Diésel | kg/kWh | 0,0013 |
| Pesticidas utilizados | Diurón | kg/kWh | 1.07E-06 |
| Gilfosfato | kg/kWh | 2,63E-06 | |
| Gesapox 80 | kg/kWh | 1,29E-06 | |
| MSMA 72 | kg/kWh | 1,94E-06 | |
| Sal de Amina 72 | kg/kWh | 6,77E-07 | |
| Éster isoclítico 48 | kg/kWh | 3,16E-06 | |
| Asulox 40 | kg/kWh | 6,77E-06 | |
| Gramoxona | kg/kWh | 9,04E-08 | |
| Amigan 65 | kg/kWh | 4,51E-07 | |
| Merlin 75 | kg/kWh | 3,19E-08 | |
| Sulfatante 90 | kg/kWh | 5,98E-07 | |
| Total de pesticidas | kg/kWh | 1,87E-05 | |
| Fertilizantes utilizados | Urea | kg/kWh | 0,0004 |
| Superfosfato triple de urea | kg/kWh | 0,0001 | |
| Cloruro de potasio | kg/kWh | 0,0004 | |
| Ceniza | kg/kWh | 0,04 | |
| Vinaza | kg/kWh | 0,22 | |
| Emisiones al aire | Óxido de nitrógeno | kg/kWh | 3,22E-07 |
| Emisiones al agua | Pesticidas | kg/kWh | 8,87E-11 |
| Total nitrógeno | kg/kWh | 2,22E-08 | |
| Emisiones a la tierra | Pesticidas | kg/kWh | 1,77E-08 |
2.2 Alternativas de uso de la biomasa para la generación de energía eléctrica
La biomasa fue la fuente energética más importante para la humanidad hasta el inicio de la revolución industrial, cuando quedó relegada a un segundo lugar por el uso masivo de combustibles fósiles. Una de las biomasas más importantes para la generación de energía eléctrica es la leñosa. Cuba es un país en el que no existen grandes bosques, sin embargo, es un país eminentemente agrario contando con extensas áreas verdes llenas de caña de azúcar de donde se puede obtener el bagazo y los residuos agrícolas cañeros necesarios para el proceso de producción de energía mediante biomasa. Sin embargo, cabe destacar que estas áreas se han visto afectadas e invadidas en los últimos años por una planta leñosa como lo es el marabú, diezmando las zonas cañeras, aunque abriendo una nueva oportunidad de producir energía a partir de una planta con una mayor capacidad de crecimiento sin coste alguno.
Para lograr que estas biomasas den un impacto positivo y lograr llegar al 14% de generación de energía eléctrica a partir de la biomasa, como se refiere en la tabla 1, es necesario un cambio en los centrales azucareros, para esto se plantean las bioeléctricas las cuales son las únicas que van a ser capaces de elevar el 3,7% de generación de energía eléctrica a partir de la biomasa en la matriz actual. Un problema que pueden presentar las mismas es la falta del combustible necesario para esa producción de energía eléctrica. Una de las soluciones para resolverlo es el uso de marabú, además del bagazo de los centrales tributarios es decir los centrales que no se conviertan en bioeléctricas, esta definición de tributarios se hizo a partir de su distancia a la bioeléctrica además de su disponibilidad de caña y posibilidades de asimilar una inversión para obtener un sobrante de bagazo. Para lograr un aumento del bagazo sobrante se planteó el secado del bagazo de estos centrales. Como objeto de estudio se tomó la Unidad Empresarial de Base (UEB) Central Azucarero “Heriberto Duquesne” Villa Clara.
La propuesta realizada es instalar un secador de bagazo rotatorio donde el bagazo que entra directamente a la caldera primero pase a este secador así se lograría disminuir la humedad de este hasta un 25% para así lograr una mayor generación de vapor en la caldera. Por otra parte, el bagazo almacenado en la casa del bagazo se transportará hacia el secador para disminuir también su humedad ya que este al estar almacenado puede aumentarla hasta un 60%. Para lograr su disminución, además de reducir las emisiones al medio ambiente se utilizará como medio de calentamiento del secador rotatorio los gases de combustión a la salida de la caldera.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los principales resultados que se obtienen en la investigación que respalda el presente artículo están vinculados con el análisis de ciclo de vida de la matriz energética cubana actual, su comparación con la propuesta para el 2030 y con el incremento en relación con los centrales azucareros.
Como se puede apreciar en la figura 1, al analizar la generación de 1kWh excluyendo los procesos de infraestructura de la matriz energética cubana, las mayores contribuciones a todas las categorías de impacto se corresponden con la generación de electricidad mediante el crudo y el fuel oil debido fundamentalmente a las emisiones generadas de dióxido de carbono, de freón 11, de cobalto-60, de óxido nítrico y dióxido de nitrógeno, material particulado 2,5, dióxido de azufre, fósforo, nitrógeno, 1,4 diclorobenceno, por kWh producido, además de los consumos de recursos fósiles y agua. Se puede observar como existen fuentes las cuales no afectan en ninguna de las categorías tales como la generación de electricidad mediante la energía eólica, hidráulica, solar y de las biomasas. Por lo que, un aumento del porcentaje de estas energías lograría una disminución considerable en la generación de electricidad en Cuba.
El proyecto de Cuba para el 2030 pretende aumentar el uso de energías renovables aumentando el porcentaje de producción de electricidad mediante estas fuentes ya que así contribuiríamos a la sustitución de importaciones de materias primas imprescindibles para la transformación de las otras fuentes no renovables en energía eléctrica, además de aprovechar las que ayudan a una menor contaminación del planeta ya sea en energía solar, hidráulica, eólica. Como se muestra en la figura 2 se logran reducciones entre un 20% y un 40% aproximadamente en 16 de las 18 categorías de impacto. Solo dos categorías dos categorías el consumo de agua y uso del agua tienen ligeros incrementos 3% y 0,7% respectivamente debido a mayores terrenos ocupados por parques eólicos, fotovoltaicos y un ligero incremento de la energía hidráulica.
3.1 Alternativas de uso de la biomasa para la generación de energía eléctrica
La aplicación de la metodología para el cálculo de secadores rotatorios (Treybal, 1997) determina equipos con dimensiones de 15,2 m de longitud y 2,4 m de diámetro.
Con las dimensiones anteriormente calculadas se estima el costo de adquisición de dicho equipo para aplicar la metodología de Peters (Peters y Timmerhaus, 2003) donde el costo de inversión tendría un valor de $165939,602 (Secador Rotatorio Industrial). Si este proceso de secado se instalara en los 31 centrales azucareros no se convertirían en bioeléctricas se incrementará la contribución a la matriz energética ya que actualmente estos generan aproximadamente 66740,3 MWh, con este proyecto generarían 67381,8 MWh por lo que serían aproximadamente 641,5 MWh generados en una zafra lo que se aportaría a la matriz energética cubana (Peters y Timmerhaus, 2003).
Con este proyecto se incrementa la generación con biomasa en un 1,88 % con respecto a la generación anterior, es decir se aumentaría de 14 % el cual es la generación de energía a partir de biomasa actualmente a 15,88 %, esto implicaría una disminución en todas las categorías de impacto con relación a la matriz actual. En la figura 3 se puede apreciar una comparación de los perfiles ambientales teniendo en cuenta la matriz energética actual y el incremento de generación en los centrales azucareros dado por el proceso de secado de bagazo. En ella, se puede observar como en las 18 categorías de impacto la matriz energética actual afecta en el 100 % mientras que la matriz energética con el incremento de generación en los centrales azucareros afecta en un menor porcentaje. Por lo que queda demostrado que es una opción viable.
CONCLUSIONES
Con el análisis de ciclo de vida se cuantifican los impactos ambientales asociados a cada categoría de impacto y se analizan los porcentajes de contribución de cada fuente de generación de energía, siendo el fuel y el crudo los mayores contribuyentes en todas las categorías.
En el diagnóstico de la matriz energética nacional quedó demostrado que existe un predominio de la generación de electricidad de fuentes no renovables, aspecto que puede ser modificado debido a la existencia de un potencial de uso de energías renovables en el territorio nacional, entre las que se encuentra la biomasa cañera, energía primaria que puede modificar la matriz energética nacional hacia la mayor participación de las fuentes renovables.
Si se introduce un sistema de secado en el central azucarero queda demostrada la factibilidad técnico económica de su modificación al alcanzar una generación de 20,693 ΜWh/zafra por encima del sistema actual lo que permite lograr un aumento del 1,88 % en la matriz energética actual.
El Análisis de Ciclo de Vida demostró que con la incorporación del secado de bagazo en los 31 centrales no convertidos en bioeléctricas se logran reducciones entre un 5 y un 16 % en todas las categorías de impacto.
