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INTRODUCCIÓN
La biomasa se define como cualquier material de origen orgánico no fosilizado con múltiples usos y que, por una parte, puede ser la base de la alimentación, y por otra, constituye la materia prima para las industrias como la farmacéutica, cosmética, textil, maderera, papelera y ciertos elementos de construcción1. Las características fisicoquímicas de la biomasa se convierten en una fuente atractiva para el aprovechamiento energético y por ello, en varios países se han realizado estudios sobre la evaluación del potencial energético. En cuba se realizó un levantamiento de biomasa obtenida a partir de caña de azúcar, café, arroz y residuos de aserraderos para determinar la energía total generada, así como la cantidad de dióxido de carbono (CO2) dejados de emitir a la atmósfera2. Así mismo, en Colombia se caracterizaron los residuos agrícolas sólidos, ganaderos, forestales y municipales con el fin de evaluar su potencial energético3),(4.
Se estima que 1200 millones de personas, es decir el 17% de la población mundial no dispone de electricidad, una alternativa para resolver este problema son las fuentes de energía renovables provenientes de residuos agrícolas que son considerados como fuente de electricidad para los sistemas aislados en áreas rurales5.
La explotación energética a nivel práctico precisa una cuantificación de los distintos recursos disponibles, junto a una caracterización que permita establecer la aptitud de los recursos biomásicos a los distintos procesos con la finalidad de obtener energía: combustión directa, gasificación, fermentación entre otros procesos6.
La biomasa residual procedente de la agricultura se puede considerar como un recurso potencialmente aprovechable, como fuente de biocombustibles y otros subproductos. Sin embargo, no se ha utilizado adecuadamente hasta ahora, debido a que presenta diferentes dificultades técnicas, entre éstas, la carencia de suficiente información sobre la cantidad y calidad para su transformación7. Su gestión energética podría suponer un ingreso adicional para los agricultores que, por un lado, comercializarían la cosecha alimentaria y por otro lado serviría como fuente de energía, materia prima o subproductos elaborados al tiempo de rentabilizar las operaciones de mantenimiento dentro de una gestión sostenible8. En este sentido, el gobierno del Ecuador ha logrado implementar una serie de políticas para responder al aumento del consumo energético y particularmente de electricidad, apoyando la inclusión de las energías renovables dentro de la matriz energética9. De ese modo, se estima que, del total de energía primaria generada en el país, las energías renovables aportan con el 8%, contribuyendo la hidroenergía con un 5% y la biomasa con la diferencia10.
A pesar de la potencialidad de aprovechamiento de la biomasa provenientes de los residuos agrícolas como fuente energética, en Ecuador no existen estudios sobre el potencial energético de los residuos agrícolas de mayor producción (papa, tomate de árbol y maíz), por esta razón el objetivo de esta investigación es evaluar el potencial energético de los residuos agrícolas de los tres cultivos para aprovecharlos como recurso energético renovable.
EXPERIMENTAL
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Selección de cultivos y sitios de muestreo
Esta investigación se realizó durante 2021, en la provincia de Tungurahua-Ecuador. Se consideró como población los cultivos de mayor producción, que según el MAGAP (2019) son los cultivos de papa, maíz y de maíz se utilizaron las plantas postcosecha y para el caso del cultivo de tomate de árbol se utilizó los residuos producto de operaciones de poda11.
El muestreo se realizó en tres localidades de los cantones Ambato, Pelileo, Píllaro, Patate y Baños (Figura 1), estos cantones poseen mayor producción de papa, maíz y tomate de árbol en la provincia de Tungurahua12.
El mapa de las áreas muestreadas fue elaborado con el software del sistema de georreferenciación ArcGIS en la Facultad de Ciencias Agropecuarias de la Universidad Técnica de Ambato.
Para la recolección de muestras se utilizó los lineamientos de la Norma UNE-EN 14778; las muestras se tomaron al azar, se tomó 10 plantas por cada 1000 plantas en el monocultivo por parcela y se colocó en una funda de color negro, las cuales fueron rotuladas y posteriormente trasladadas al Laboratorio de la UODIDE-ICIA de la Facultad de Ciencia e Ingeniería en Alimentos y Biotecnología de la Universidad Técnica de Ambato para su posterior análisis. De cada cantón se muestreó en 3 parroquias (Tabla 1).
Diseño Experimental
El diseño que se utilizó para esta investigación fue completamente al azar con análisis de factores jerárquicos o anidados con tres repeticiones. Además, se utilizó la prueba de Tukey con un nivel de significancia (= 0.05 y se realizó el análisis de varianza ADEVA, donde se evaluó la influencia que tienen cada factor (Factores: cultivos y cantones de mayor producción de los cultivos: papa, maíz y tomate de árbol en la provincia de Tungurahua) sobre las variables respuestas13. Los resultados fueron analizados mediante el programa estadístico INFOSTAT Versión 2020I.
Análisis proximal de biomasa residual agrícola
Los parámetros físicos (contenido de humedad, cenizas, compuestos volátiles y carbono fijo) influyen en la calidad de biomasa14. Para realizar la determinación de los parámetros físicos se realizó un pretratamiento de las muestras, que consiste en lavar con abundante agua las muestras para luego secarlos en la estufa a 50(C por 6 horas y finalmente se molieron para reducir su tamaño, se almacenaron y se etiquetaron en fundas herméticas, debidamente rotuladas.
El análisis de contenido de humedad se realizó mediante un analizador halógeno de humedad (mod. HX204) basado en el método de pérdida por secado. El contenido de cenizas y de volátiles fueron determinados siguiendo la Norma española UNE-EN ISO 18122:2015 y UNE-EN ISO 18123:2015 respectivamente. Finalmente, el contenido de carbono fijo se obtuvo mediante la utilización de la ecuación (1) la cual considera el valor del contenido de ceniza y de compuestos volátiles15.
Estimación del potencial energético
Para determinar el potencial energético de la biomasa de los residuos agrícolas es necesario calcular la cantidad de biomasa residual, para lo cual se tomó en cuenta la superficie del terreno cultivado, el número de plantas por área. El número de plantas de papa por hectárea es de 4000016, para el cultivo de maíz es de 75000 por hectárea17, para el cultivo de tomate de árbol es de 2500 por hectárea18. Adicionalmente, para el caso del cultivo de papa y de maíz se pesó las plantas de postcosecha, mientras que para el cultivo de tomate de árbol se tomó en cuenta el peso de los residuos obtenidos del proceso de poda de cada planta, además se tomó en cuenta el número de cosechas por año (dos cosechas por año para el caso de los cultivos de papa y maíz) y el número de podas en el caso del tomate de tomate de árbol (una sola vez). La ecuación para calcular la cantidad de biomasa (2)19) es:
Para calcular el potencial energético también se necesita determinar el poder calorífico de la biomasa agrícola en muestras trituradas, se utilizó el calorímetro (marca Parr 6400) y utilizó la siguiente ecuación20:
Donde PE es el potencial energético (MJ/tn), BR es la biomasa residual (tn/año) y PC es el poder calorífico de la biomasa residual de cada cultivo (MJ/tn).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Cantidad de biomasa residual agrícola de los cultivos de papa, maíz y tomate de árbol
De acuerdo con el análisis, el tomate de árbol es el cultivo que produce mayor cantidad de biomasa residual agrícola (128.83 tn.ha/año), seguido del cultivo de papa con 6.4 tn.ha/año y finalmente el cultivo de maíz con 4.89 tn.ha/año, esta biomasa proviene de operaciones de poda, renovación de cultivo o restos de cosecha (Tabla 2) (21.
Al comparar la cantidad de biomasa agrícola por cultivo (Figura 2), en el primer rango de significación se ubica el tomate de árbol con un promedio de 128.83 tn.ha/año, mientras que los cultivos de papa y de maíz se encuentran en un rango inferior con promedios de 6.54 tn.ha/año y 4.89 tn.ha/año respectivamente.
La planta de tomate de árbol es considerada como una planta arbustiva que posee tallos semileñosos y un gran follaje llegando a alcanzar una altura comprendida entre 2 y 3 metros (22(; por lo tanto, en comparación con las plantas de los cultivos de maíz y de papa la planta de tomate de árbol es mucho más grande y favorece en la obtención de mayor cantidad de biomasa
Tabla 2 Comparación de la cantidad de biomasa (tn.ha/año) vs. cultivo por cantones de mayor producción de la provincia de Tungurahua.
Fuente: MAGAP, 2019.
Análisis proximal de biomasa residual agrícola
La biomasa de residuos agrícolas cuenta con una humedad inicial que determina la cantidad de agua, existen factores que pueden afectar este parámetro como: condiciones climáticas, época de cosecha, tipo de residuo agrícola23.
Al comparar el contenido de humedad de los residuos agrícolas de los cultivos de papa, maíz y de tomate de árbol (Figura 3), se encontró en el primer rango de significación los residuos agrícolas del cultivo de papa con un promedio de 9.85%, mientras que los residuos agrícolas del cultivo de tomate de árbol y del cultivo de maíz se encuentran en rangos inferiores con promedios de 10.66% y 12.28% respectivamente.
En España se realizaron estudios sobre la caracterización de residuos agrícolas postcosecha y se obtuvieron resultados casi similares (papa= 9.9%; maíz= 7.0%; tomate de árbol= 10.2%) a los obtenidos en esta investigación respecto al porcentaje de humedad24: cuanto menor sea el valor de humedad mejor será su poder calorífico y por ende su proceso de combustión; por eso es recomendable utilizar residuos agrícolas con humedad relativa inferiores al 30% para conversión energética25.
Figura 3 Comparación de valores promedio del contenido de humedad de residuos agrícolas vs. Cultivo.
Al comparar el contenido de cenizas por cultivo se encontró que existen diferencias estadísticas, en el primer rango de significación están los residuos agrícolas del cultivo de maíz con un promedio del 2.47% mientras que los residuos agrícolas de tomate de árbol y de papa se encuentran en rangos inferiores con promedios de 11.49% y 14.66% respectivamente (Figura 4). Las cenizas son el resultado de la combustión completa de la biomasa, si presenta menor contenido de cenizas la calidad de la biomasa es buena26; por lo tanto, la biomasa del cultivo de maíz es de mejor calidad. En Nigeria y España se reportaron estudios sobre la caracterización de residuos agrícolas postcosecha de varios cultivos dentro de ellos el de papa, maíz y tomate de árbol, donde presentaron valores de contenido de cenizas casi similares (Nigeria: papa= 13.4%; maíz=1.6% y en España: papa=15.8%, maíz=2.4% y tomate de árbol=16.2%) a los obtenidos en esta investigación, por lo tanto, los residuos agrícolas del cultivo de maíz son los de mejor calidad24),(27.
Figura 4 Comparación de valores promedio del contenido de cenizas de residuos agrícolas vs. Cultivo.
Al comparar el contenido de compuestos volátiles de los residuos agrícolas de los cultivos de maíz, papa y tomate de árbol (Figura 5) se encontró en el primer rango de significación los residuos agrícolas del cultivo de maíz con un promedio del 82.38% mientras que los residuos agrícolas de los cultivos de tomate de árbol y de papa se encuentran en rangos inferiores con un promedio de 79.45% y 71.62% respectivamente.
Mientras más alto sea el contenido de compuestos volátiles más rápido se produce la combustión de la biomasa, los compuestos son liberados bajo condiciones específicas, es importante controlar la temperatura y el tiempo de ensayo para lograr reproducir los resultados y evitar que se vean afectados por cualquier parámetro24.
Figura 5 Comparación de valores promedio del contenido de compuestos volátiles de residuos agrícolas vs. Cultivo.
Al comparar el contenido de carbono fijo de los residuos agrícolas por cultivo (Figura 6), se encontró en el primer rango de significación los residuos agrícolas del cultivo de tomate de árbol con un promedio de 9.06%, mientras que los residuos agrícolas de los cultivos de papa y de maíz se encuentran en rangos inferiores con promedios del 13.72% y 15.15% respectivamente. Mientras menor sea el valor del contenido de carbono fijo es mejor, es decir, obtener menor cantidad de residuo sólido (materia no volatilizada) para evitar su tratamiento26.
Investigaciones realizadas en España24, Nigeria26, en Argentina, Cuba, India, Países Bajos y Estados Unidos28 sobre el análisis proximal de biomasa agrícola, presentaron resultados similares del contenido de carbono fijo que fueron obtenidos en esta investigación, estos valores se encontraron dentro de los rangos normales (9-20%).
Poder Calorífico
Respecto a los resultados del poder calorífico de los residuos agrícolas por cultivo (Figura 7) existen diferentes estadísticas, encontrándose en el primer rango de significación los residuos agrícolas del cultivo con un promedio de 15571.67 MJ/tn mientras que los residuos agrícolas del maíz y tomate de árbol se encuentran en rangos inferiores con promedios de 15293.44 MJ/tn y 15010.15 MJ/tn respectivamente. Generalmente el poder calorífico es la energía térmica que se obtiene de la combustión completa de la biomasa29. Estudios realizados en España sobre la determinación del poder calorífico de residuos agrícolas de los cultivos de papa, maíz y tomate de árbol (15070.27 MJ/tn, 17692.11 MJ/tn y 14154.14 MJ/tn respectivamente) presentaron resultados casi similares a los obtenidos en esta investigación, debido a estas características energéticas que presenta la biomasa de residuos agrícolas, en la actualidad ocupa el cuarto lugar después del petróleo, el gas y el carbón24.El contenido de humedad de la biomasa residual va a tener influencia en el poder calorífico, es decir, mientras menor es el porcentaje de humedad mayor es el poder calorífico7.
Potencial energético
El potencial energético de los residuos agrícolas tiene una relación lineal directamente proporcional frente a la cantidad de biomasa, es decir dependiendo del tipo de cultivo a más cantidad de biomasa mayor es el potencial energético (30(, en base a estos antecedentes se menciona que los residuos agrícolas del cultivo de tomate de árbol presentan mayor cantidad de biomasa por ende posee mayor cantidad de potencial energético.
Respecto a los resultados del potencial energético de los residuos agrícolas de los cultivos de papa, maíz y tomate de árbol (Figura 8) existen diferencias estadísticas, encontrándose en el primer rango de significación los residuos agrícolas del cultivo de tomate de árbol con un promedio de 0.54 GWh mientras que los residuos agrícolas del cultivo de papa y de maíz se encuentran en rangos inferiores con promedio de 0.03 GWh y 0.02 GWh respectivamente.
Según estudios realizados en Colombia se ha determinado el potencial energético en residuos agrícolas de maíz obteniendo resultados diferente al de esta investigación (21.36 GWh), esto se debe a la tecnología aplicada, estos valores son afectados por la eficiencia de transformación del proceso aplicado a los residuos para la obtención del potencial energético31.
CONCLUSIONES
Se determinó el potencial energético de los residuos agrícolas de los cultivos de mayor producción en la provincia de Tungurahua (papa, maíz y tomate de árbol), donde el cultivo de tomate de árbol es el que genera mayor cantidad de residuos agrícolas con 128.83 tn.ha/año, por lo tanto genera mayor cantidad de potencial energético 0.54 GWh.
En la actualidad los residuos agrícolas no son utilizados adecuadamente por los agricultores, estos están disponibles para recolectarlos sin comprometer los requisitos de biomasa agrícola, la parte ambiental y los usos competitivos.
