Dr. Alfredo Curbelo Alonso, Dra. Bárbara Garea Moreda, dr. Antonio Valdes Delgado, División de Industria y Energía Agencia de Ciencia y Tecnología.
Introducción
La caña de azúcar se introdujo en Cuba en 1511 y ya en el siglo XIX se producían anualmente un millón de toneladas de azúcar. Hoy la Agroindustria Azucarera constituye el principal renglón económico del país, siendo el mayor rubro exportable y una importante fuente de alimentos y de energía.
Actualmente en Cuba se destinan 1,7 millones de hectáreas a la producción cañera, que representan el 34% del área agrícola del país. El 80% de estas tierras son trabajadas por las Unidades Básicas de Producción Cooperativa, constituidas en 1994 con los trabajadores agrícolas que la cultivaban hasta ese momento y que la recibieron en usufructo gratuito. El resto es de propiedad de campesinos organizados en cooperativas.
La producción de azúcar crudo se realiza en 156 centrales azucareros y en 15 de ellos se produce azúcar blanca refino. La producción en el período 1983-1992 promedió 7,6 millones de toneladas anuales que representó el 7,3% de la producción mundial. De estas se exportaron 6,8 millones de toneladas que corresponden a un 24% de la exportación mundial anual en dicho período.
Además de azúcar se realiza la producción de diferentes derivados en 42 fábricas que tienen la capacidad para producir: 600 m³/día de alcohol, 476 m³/día de levadura, 182.000 t/año de tableros de bagazo, 109.000 t/año de pulpa y papel de bagazo, además de furfural, glucosa, sorbitol y otros. Se produce también alimento animal a partir de subproductos de la industria azucarera en 216 plantas distribuidas a lo largo del país.
Un importante soporte al mantenimiento y desarrollo de la industria azucarera lo constituye la industria mecánica, la cual es capaz de producir equipos tecnológicos, partes y piezas para toda la actividad industrial incluyendo la producción de calderas de vapor e implementos agrícolas como son medios de transporte y alzadoras y cosechadoras de caña que garantizan la mecanización del 70% de la cosecha.
La agroindustria azucarera brinda empleo al 13% de la fuerza laboral del país, de ellos el 93% está directamente vinculado a la producción de caña, azúcar y derivados. El resto corresponde a la actividad mecánica, investigación y desarrollo y otros.
Producción de biomasa en la industria azucarera
La agroindustria azucarera es la fuente más importante de energía renovable en Cuba, ya que la caña de azúcar además de ser el principal cultivo del país, es el captador vivo más eficiente de la energía solar lo que determina los altos rendimientos agrícolas que se pueden obtener como cultivo anual.
La biomasa en la caña de azúcar se distribuye entre el tallo verde (75%) y los residuos agrícolas cañeros, en estos últimos se incluye el cogollo (parte superior de la planta 30%), hojas secas (30%) y hojas verdes (40%) y su rendimiento en Cuba alcanza las 60 t/ha/año.
La biomasa aprovechable energéticamente es el bagazo y los residuos agrícolas cañeros (RAC). El bagazo representa el 30% de los tallos verdes molidos y es el residuo fibroso de este proceso, se obtiene con un 50% de humedad, esto significa que por cada hectárea cosechada es posible obtener anualmente 13,5 t de bagazo equivalentes a 2,7 tce1.
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tce = Tonelada de combustible equivalente (37,5 MJ/kg).
El uso de los RAC como combustible depende ante todo de la posibilidad de su recolección. En Cuba se cosecha el 70% de la caña en forma mecanizada por medio de cosechadoras que reintegran el 50% de los RAC al campo, posteriormente en centros de acopio y limpieza de la caña cosechada se separa el 50% de los residuos agrícolas que traen del campo. Como promedio es posible recolectar 3,75 t de RAC por hectárea de caña cosechada equivalentes a 0,62 tce.
En una zafra promedio en Cuba se pueden producir 70 millones de toneladas de caña (tallos verdes), obteniéndose 21 millones de toneladas de bagazo equivalentes a 4,2 millones de tce y 6 millones de toneladas de RAC equivalentes a 1 millón de tce.
De este potencial energético renovable, es utilizado solamente el bagazo, ya que las experiencias existentes en el uso de los RAC se limitan a la producción de briquetas para la cocción de alimentos doméstica y colectiva, sin que sea una práctica extendida en el país.
Base energética de la industria azucarera
El bagazo constituye la principal fuente de energía en la producción de azúcar. Este proceso se basa en la cocción y posterior concentración del jugo extraído a la caña durante su molida. Se consumen 500 kg de vapor y 21 kW/h por tonelada de caña molida.
Existen en la industria 804 generadores de vapor que utilizan bagazo como combustible con una eficiencia entre el 50 y el 60%, la cual está determinada ante todo por la obsolecencia tecnológica de las calderas, de las cuales el 52% tiene mas de 45 años de instaladas. La capacidad de producción de vapor de estas calderas está entre 18 y 40 t/h y la presión de vapor en los centrales azucareros es baja, en el 65% es de 10 kg/cm², en el 22% de 17 kg/cm² y en el 8% restante de 27 kg/cm².
En 149 de los 156 centrales azucareros están instalados 349 turbogeneradores que utilizan turbinas de contrapresión, con una capacidad de generación de electricidad de 726 MW, de estos centrales 72 están sincronizados al sistema electroenergético nacional con una capacidad instalada de 569 MW. En 1991 se generaron en la industria azucarera 1.262 GW/h lo que representa una producción de 17,5 kW/h/t de caña molida. Sin embargo en ese mismo año se consumieron en la producción de azúcar crudo y refino 1.562 GW/h, en la producción de derivados 145 GW/h, en la producción agrícola y la cosecha de la caña 139 GW/h y 382 GW/h en otras actividades vinculadas al sector azucarero.
Estas cifras demuestran que para lograr que la industria azucarera se convierta en un productor neto de electricidad es indispensable aumentar el índice de generación de energía eléctrica por tonelada de caña molida.
La industria azucarera y la de sus derivados producen otros residuales como son la cachaza y los mostos de destilerías que constituyen un importante potencial energético que puede ser utilizado por medio de la digestión anaeróbica, representando un equivalente de 0,6 millones tce anuales.
La producción de electricidad en la industria azucarera
En 1991 se generaron en Cuba 13.163 GW/h. El principal productor de electricidad es la Unión Eléctrica que posee instalado en centrales termoeléctricas 3.132 MW y produjo en ese año el 89% del total de electricidad generada en el país para lo cual consumió 3 millones de toneladas de fuel oíl.
El segundo productor de electricidad es la industria azucarera que en 1991 produjo 1262 GW/h, que representó el 9,6% del total nacional, cubriéndose con esta cantidad solo el 56,6% del consumo de energía eléctrica del sector azucarero (fábricas de producción de azúcar, de derivados y las empresas de apoyo).
A pesar que la industria azucarera produce anualmente una cantidad de biomasa renovable equivalente a 5,2 millones de tce su utilización en la generación de electricidad es equivalente al consumo de 0,4 millones de tce en las centrales termoeléctricas del país. Este hecho está relacionado ante todo con el aprovechamiento de la capacidad instalada y con la obsolecencia tecnológica de la base energética de la industria. A partir de este hecho se han identificado diferentes variantes para un mejor aprovechamiento de este potencial que se distinguen por los plazos y recursos financieros requeridos para su ejecución:
1. Aprovechamiento óptimo de la capacidad instalada.La cantidad de electricidad que se produce en un central azucarero depende del aprovechamiento de la norma potencial de molida y la operación estable de la planta eléctrica. Estos factores están determinados por el suministro regular de caña al central y por el tiempo de las paradas del mismo. Un aprovechamiento al 85% de la norma potencial de molida y de la capacidad operacional de los turbogeneradores permitiría una generación de 19,5 kW/h/t de caña molida y cubrir el 10,5% de la producción nacional de electricidad correspondiente a 1991.
2. Aumento de la eficiencia de la generación de electricidad utilizando calderas de baja presión.
La eficiencia del ciclo térmico de la generación de electricidad está determinado por las características del generador y de la turbina de vapor.
La modernización o sustitución de los generadores de vapor con el propósito de lograr una eficiencia térmica del 80% y alcanzar presiones de vapor de 40 kg/cm² posibilitaría generar 27,5 kW/h/t de caña molida y si además se sustituyen las turbinas de contrapresión por turbinas de extracción condensación es posible llegar hasta 33,5 kW/h/t caña molida.
De esta manera la industria azucarera llegaría a producir en cada caso el 13% y el 15,6% de la cantidad de energía eléctrica generada en el país en 1991, logrando cubrir el consumo de energía eléctrica en el sector con la introducción de las turbinas de extracción condensación.
3. Centrales termoeléctricas en la industria azucarera.
Un aumento significativo de la generación de electricidad en la industria azucarera se puede lograr mediante la introducción de generadores de vapor a alta presión (80 kg/cm²), lo cual requiere el uso de esquemas de generación similares a los utilizados en las centrales termoeléctricas. En este caso debido al monto de la inversión es necesario que la generación de electricidad se realice durante todo el año para lograr que la misma sea económicamente ventajosa. En Cuba el combustible más apropiado para lograr estos propósitos son los RAC, que como ya se indicó se recolectan anualmente en cantidades equivalentes al millón de toneladas de combustible equivalente, siendo el principal problema tecnológico a resolver el de la compactación y conservación durante un tiempo prolongado de este material. En estas condiciones es posible producir 120 kW/h/t de caña durante la zafra y de 300 kW/h/t de RAC fuera de zafra.
Estudios realizados demuestran la posibilidad de instalar en el los centrales azucareros del país 1.675 MW, en centrales termoeléctricas con 41 unidades de 25 y 11 de 50 MW con la posibilidad de producir hasta 9.648 GW/h anualmente, lo que representa el 73% de la electricidad generada en el país en 1991.
4. Utilización de ciclos con turbinas de gas.
Los ciclos térmicos para la generación de electricidad que utilizan turbinas de gas, han alcanzado un nivel comercial cuando se utiliza gas natural o combustibles líquidos en las centrales termoeléctricas. La alta eficiencia que se logra con estas tecnologías, superiores al 40%, hace que los costos de inversión por kW/h instalado sean los menores entre las tecnologías que se comercializan actualmente en el mundo.
El uso de la biomasa cañera como combustible en estos ciclos está frenada por estar ano en etapa de investigación y desarrollo los gasificadores de biomasa requeridos para estas aplicaciones y se trabaja en el perfeccionamiento de los sistemas de limpieza de los gases, además las turbinas aereoderivativas ano no han sido evaludas en las condiciones de trabajo de estos ciclos termodinámicos. Actualmente se desarrollan varios proyectos a escala de planta piloto para la evaluación práctica de estos ciclos térmicos. De los ciclos que se evalúan en la literatura, el BIG/STIG (Biomas Integrated Gasifier - Steam Injection Gas Turbine) parece ser el más perspectivo de manera inmediata. La aplicación de este ciclo en la industria azucarera requiere disminuir el consumo de vapor en el proceso de los 500 kg/t de caña molida a 300 kg lo que permitiría producir hasta 250 kW/h/t de caña molida y 700 kW/h/t de RAC en el período fuera de zafra.
Esto significa, aplicado a la industria azucarera cubana, la instalación 5.700 MW, distribuidos en 90 unidades de 25 MW y 39 de 50 MW y 15 de 100 MW que generarían hasta 32.832 GW/h anualmente o sea 2,5 veces la electricidad producida en el país en 1991.
Conclusiones
La industria azucarera cubana produce anualmente sobre bases renovables 5,2 millones de toneladas de combustible equivalentes, de los cuales se utilizan actualmente 4,2 millones de toneladas para la producción de la energía térmica requerida para la fabricación del azúcar crudo y para la generación de electricidad con una baja eficiencia que permite producir 17,5 kW/h/t de caña molida, lo que representa el 9,5% del total producido en el país.
El aumento de la eficiencia en la producción de electricidad en esta industria permitiría cubrir una parte importante de la que actualmente se genera en las centrales termoeléctricas. La modernización de las instalaciones energéticas introduciendo turbinas de extracción condensación permitiría generar el 15,6% de la electricidad producida en 1991, mientras que la introducción de la alta presión llevaría este índice hasta un 73%.
Los resultados más significativos se logran con la introducción de los ciclos BIG/STIG que posibilitaría generar sobre bases renovables 2,5 veces la energía eléctrica producida en el país en 1991.
Estos análisis que se han realizado teniendo en cuenta solamente el aspecto técnico del problema permiten fundamentar una línea de desarrollo de la energética nacional basada en la biomasa producida por la Industria Azucarera, sin embargo su realización práctica está condicionada no tanto por su factibilidad económica, que es positiva, como por la disponibilidad de las fuentes de financiamiento requeridas para la realización de las inversiones correspondientes.
