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Contribución de la biomasa no cañera a la generación de electricidad en Cuba.

Dr. Alfredo Curbelo Alonso, Dra. Bárbara Garea Moreda, División de Industria y Energía, Agencia de Ciencia y Tecnología, Cuba.

Introducción

En Cuba la principal fuente de energía renovable es la biomasa, ya que no existen grandes ríos, ni zonas con altas velocidades del viento. Si bien el mayor potencial energético lo tiene la biomasa cañera, existen otras fuentes que tienen importancia en el orden local o que su aprovechamiento resulta conveniente desde el punto de vista medio ambiental. Este es el caso de los bosques naturales y las plantaciones energéticas en desarrollo, los residuos agroindustriales y los urbanos.

La utilización de estas fuentes en la generación de electricidad está muy vinculada al desarrollo de tecnologías eficientes que permitan que esta producción sea competitiva con el uso de los combustibles convencionales en las condiciones específicas de los países en desarrollo. En esta dirección se trabaja intensamente, por lo que es necesario la realización de proyectos demostrativos que faciliten la transferencia y evaluación de éstas en las condiciones de los países de menor desarrollo.

Desarrollo

La segunda fuente de biomasa en Cuba es la obtenido a partir de la explotación forestal. El área cubierta de bosques es de casi 3 millones de hectáreas. El potencial de producción de leña a partir de estas áreas se estima en 3 millones de metros cúbicos anuales.

Actualmente la producción energética forestal consiste en leña y carbón vegetal para la cocción de alimentos que en 1990 alcanzaron la cantidad de 1,32 millones de metros cúbicos y 63 mil toneladas respectivamente. Estas producciones han ganado en importancia a partir de 1992 por la situación económica del país. La utilización de esta fuente de energía renovable en la generación de electricidad se considera de interés en el caso del suministro de energía a zonas aisladas y a pequeñas comunidades, en las que a pesar de estar conectadas al sistema eléctrico nacional, el servicio eléctrico resulta costoso y difícil de mantener de manera estable.

Otra fuente importante de biomasa disponible para la generación de electricidad son los residuos lignocelulósicos que se producen en diferentes industrias. Estos productos, que generalmente constituyen una fuente de contaminación ambiental por la dificultad de su degradación biológica, pueden ser utilizados como combustible en la producción de electricidad tanto por medio de ciclos térmicos, como mediante la gasificación, lo que permitiría una disminución de los costos de la producción principal de la empresa.

Entre los residuos agrícolas e industriales hay un grupo importante que puede ser utilizado como fuente de energía para la generación de electricidad por medio de la producción de biogas. En este campo existen en Europa experiencias positivas en plantas de mediana y gran escala, que para lograr ser rentables se caracterizan por la utilización de una alta tecnología. En Cuba los principales residuos para aplicaciones de este tipo, son los provenientes de la industria azucarera, las destilerías de alcohol y las empresas de cría de cerdo. En el país existe una amplia experiencia en el diseño y construcción de pequeños digestores y se realizan trabajos de investigación desarrollo dirigidos a posibilitar el diseño y explotación de plantas de segunda generación. En este campo se siguen con mucho interés los trabajos que se realizan para evaluar la aplicación de turbinas aereoderivativas que utilicen biogas como combustible.

Los principales proyectos que se consideran para la producción de electricidad a partir de la biomasa son:

1. Producción de electricidad en regiones aisladas

Estas son regiones donde el suministro de energía eléctrica a partir del sistema eléctrico nacional se dificulta. La capacidad a instalar en estos casos está en el orden de los 5-30 MW. De las tecnologías actuales la más apropiada es el ciclo térmico de vapor a alta presión y en perspectiva los ciclos que utilizan turbinas de gas.

Este es el caso de la zona sur de la provincia de Guantánamo en la cual habitan 25 mil personas y posee 55.000 ha destinadas al desarrollo forestal. Las características geográficas de esta región dificultan garantizar una buena calidad del servicio eléctrico, por lo que la instalación de una planta de generación mejoraría sensiblemente esta situación.

Otro tipo de regiones aisladas son las pequeñas islas. La segunda isla en extensión en el archipiélago cubano es la Isla de la Juventud, que se encuentra a 70 km al sur de la provincia de la Habana y tiene una población de 80 mil habitantes y 220.000 ha de extensión. El 52% de su territorio Constituye su patrimonio forestal y de ellos el 76% son bosques naturales de pino. El proyecto elaborado para esta región tiene como propósito generar, utilizando biomasa forestal, el 30% de la electricidad que actualmente se produce por medio de generadores diesel con una capacidad instalada de 34 MW y de los cuales se explotan 14 MW.

El proyecto consiste en la instalación de una planta de generación de electricidad, con una capacidad de 5 MW, que utilice un ciclo de vapor a alta presión con una caldera en lecho fluidizado y una eficiencia del 25%. La cantidad de biomasa que requiere esta planta es de 25.000 t anuales. El 64% se produciría a partir del fomento de 2.000 ha de plantaciones energéticas de eucalipto y casuarina, estimando un incremento anual de 15 t/ha y un período de rotación de seis años. El 19%, provendría de los residuos de la tala, el 8% de los aserraderos y el 9% de los tratamientos de los bosques.

El costo de la inversión se considera en $EE.UU. 9,5 millones y el de la producción de la electricidad se calcula en 0,038 $EE.UU./kWh. La venta de la electricidad a 0,044 $EE.UU./kWh permitiría recuperar la inversión en 3,84 años.

Nuevas posibilades para la producción de electricidad a partir de la biomasa forestal pueden surgir como resultado de los avances que se obtengan en las tecnologías para la pirólisis de materiales lignocelulósicos y en particular para la pirólisis rápida. Se espera lograr el uso de los productos líquidos de este proceso de conversión termoquímica en sustitución del fuel oíl en las plantas térmicas.

Existen reportes en la literatura sobre pruebas realizadas con los líquidos piroleñosos de la pirólisis convencional, que demuestran la estabilidad de la combustión de los mismos en este tipo de caldera, pero con la limitante de una baja temperatura de combustión.

2. Producción de electricidad utilizando residuos agroindustriales

El aprovechamiento de residuos agroindustriales permite generalmente la solución de problemas de contaminación ambiental y la disminución de los costos de la producción principal.

En la mayoría de los casos la potencia eléctrica que se puede instalar es de unos pocos megawatt por lo que la utilización de plantas térmicas es muy costosa debido al factor de escala, es por este motivo que el sistema gasificados de biomasa-motor de combustión interna es la tecnología más adecuada en este caso.

La principal dificultad en su explotación es la presencia de resinas en el gas combustible producido, lo que exige un eficiente sistema de limpieza que disminuye la eficiencia energética del sistema. Este problema puede ser evitado mediante el uso de gasificadores en lecho fluidizado, ya que en los mismos, por su alta temperatura de trabajo, se produce el craqueo térmico de las resinas. Existen trabajos sobre el uso de catalizadores para lograr el craqueo catalítico de las mismas. Se acepta que con estos sistemas se pueden lograr eficiencias del orden del 20-25% en la generación de electricidad.

Las industrias que en Cuba producen residuos lignocelulósicos que pueden ser utilizados en la generación de electricidad son la industria del procesamiento de la madera y la industria arrocera.

La industria de madera aserrada produce aproximadamente 70.000 m³ de residuos anuales. Entre los aserraderos más importantes se encuentra el aserradero de Macurije que es de tecnología española. Este aserradero tiene una capacidad de procesamiento de 30.000 m³ anuales y produce 32 m³ diarios de aserrín, que permite instalar un sistema gasificador-grupo electrógeno con un potencia de hasta 1,2 MW. Para el aprovechamiento de este potencial energético se ha elaborado un proyecto que consiste en construir, en una primera etapa, un gasificados con una potencia térmica de 1,5 MW para ser evaluado a nivel de planta piloto y accionar los grupos electrógenos existentes con una potencia eléctrica total de 350 kW. El sistema de gasificación seleccionado es en lecho fluidizado utilizando aire como medio de fluidización, lo cual permite que sea explotado, en dependencia del régimen de temperatura y de flujo de aire, en régimen de pirólisis rápida o de gasificación utilizando resultados de investigaciones nacionales. En el caso de la pirólisis se obtienen como productos del proceso, además de los gases, una fracción líquida y carbón vegetal.

La elevación de la capacidad de producción de electricidad a 1,2 MW permitiría lograr satisfacer las necesidades del aserradero, que no son superiores a los 500 kW, y entregar una cantidad significativa de energía eléctrica a la población aledaña.

En el caso de la industria arrocera, el procesamiento industrial consiste básicamente en su secado y posterior molinado. En Cuba los gastos energéticos para procesar una tonelada de arroz son de 34 kWh en el molinado y 20 kWh y 14 kg de fuel oíl en el proceso de secado. A la vez se producen 0,22 t de cáscara de arroz que son equivalentes a 73 kg de combustible equivalente.

Se elaboró un proyecto que consiste en satisfacer estas demandas energéticas utilizando como fuente de energía la cáscara de arroz, que permita aprovechar las cenizas de su combustión. La eliminación del consumo del fuel oíl en el secado se realiza por medio de un horno en lecho fluidizado. Este horno es diseñado a partir de resultados obtenidos a nivel de planta piloto en el país y alcanza una eficiencia de la combustión de un 95%. En el calentamiento del aire para el secado se asume una eficiencia térmica del 80%. En este proceso se utilizaría el 22% de la cáscara de arroz producida.

La producción de electricidad se realiza utilizando un gasogenerador en lecho fluidizado integrado a un motor de combustión interna. Considerando una eficiencia en la generación de electricidad del 20%, se requeriría el 13% de la cáscara de arroz producida para la producción de la electricidad consumida en el secado y el 23% en el molinado. Las evaluaciones realizadas en el proyecto indican que sólo es necesario el 58% de la cáscara de arroz producida para generar toda la energía térmica y eléctrica consumida en el procesamiento industrial del arroz.

Un producto de no menos importancia que se ha evaluado en este proyecto es la ceniza de la cáscara de arroz, la que se caracteriza por tener más de un 90% de óxido de sílice en su composición. Las principales aplicaciones determinadas en el proyecto para este producto son: su uso, aprovechando sus propiedades puzolánicas, como aditivo en la preparación de hormigones llegando a poder sustituir hasta un 40% del cemento en determinados casos y la producción de un material aislante resistente de bajo peso que trabaja hasta temperaturas de 900°C. La importancia de este producto se refleja en que la evaluación económica del proyecto de la planta térmica de 2,5 MW de Chakkaraj, Tailandia, donde el 25% de las ganancias anuales serán resultado de la venta de las cenizas de la cáscara de arroz.

La implementación del proyecto se propone en un molino con capacidad de procesamiento de 7,5 t/h de arroz y de dos secaderos con capacidad de 11,5 t/h. La base energética en este caso consistiría de un horno de lecho fluidizado con una potencia térmica de 1,7 MW para el calentamiento del aire que se utiliza en el secado del arroz y tres plantas gasogenerador-grupo electrógeno de 250 kW cada una.

El significado de este proyecto a escala del país se refleja en el hecho que anualmente se producen 100.000 t de cáscara de arroz y que además los molinos y secaderos están situados en regiones apartadas donde el suministro de energía eléctrica a partir de la red nacional se dificulta.

Conclusiones

Existe la posibilidad de generar electricidad, utilizando tanto la biomasa forestal como residuos lignocelulósicos agroindustriales, con el propósito de contribuir con el suministro de electricidad.

Las tecnologías que se consideran en estos proyectos son los ciclos térmicos de alta presión, la gasificación de la biomasa en lecho fluidizado y se consideran como perspectiva la utilización de las turbinas aereoderivativas en el campo de la producción de electricidad a partir de la biomasa.

Los proyectos elaborados se consideran como desmotrativos pues tienen el propósito principal de evaluar en el país algunas de las tecnologías más avanzadas.


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