METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO DE ENERGÍA EXTRAÍDA A …
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METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO DE ENERGÍA EXTRAÍDA A PARTIR DE LA BIOMASA EN EL DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA CHRISTIAN CAMILO SERRATO MONROY VERÓNICA LESMES CEPEDA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA, PROYECTO CULAR INGENIERÍA ELÉCTRICA. BOGOTÁ, COLOMBIA 2016
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METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO DE ENERGÍA
EXTRAÍDA A PARTIR DE LA BIOMASA EN EL
DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA
CHRISTIAN CAMILO SERRATO MONROY
VERÓNICA LESMES CEPEDA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA, PROYECTO CULAR INGENIERÍA ELÉCTRICA.
BOGOTÁ, COLOMBIA
2016
METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO DE ENERGÍA
EXTRAÍDA A PARTIR DE LA BIOMASA EN EL
DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA
CHRISTIAN CAMILO SERRATO MONROY
VERÓNICA LESMES CEPEDA
Tesis presentada como requisito para optar por el título de:
INGENIERO ELÉCTRICO
Director:
Johann Alexander Hernández Mora
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA, PROYECTO CULAR INGENIERÍA ELÉCTRICA.
BOGOTÁ, COLOMBIA
2016
iii
RESUMEN
Esta monografía desarrolló una metodología para estimar el potencial energético de la
biomasa residual en los sectores agrícola y pecuario, con el fin de fomentar el uso de la
biomasa a nivel departamental en Cundinamarca, para lograr el diseño de la metodología se
tuvieron en cuenta conceptos de interés, como el poder calorífico inferior (PCI) que posee
cada uno de los sectores, los potenciales energéticos, tipo residuos/cosecha, tecnologías para
la extracción, los procesos de conversión de la energía, entre otros.
Se plantearon fórmulas para la estimación del potencial energético de la biomasa presente en
los residuos de los sectores agrícola y pecuario, identificando las variables más importantes y
las fórmulas más adecuadas que permitan de una manera más aproximada la estimación del
potencial energético dependiendo del sector. Cultivo energético para el sector agrícola y grupo
etario, categoría o propósito para el sector pecuario.
Adicionalmente, se tuvo en cuenta la disponibilidad de los residuos en el departamento,
analizando las opciones más convenientes para ser implementados como fuente de energía
alternativa.
Palabras claves: Biomasa, Poder Calorífico Inferior, Potencial Energético, Residuo.
iv
Contenido
Contenido ............................................................................................................................. iv
Lista de Figuras ................................................................................................................... vi
Lista de Tablas .................................................................................................................... vii
Capítulo 1 .............................................................................................................................. 9
Introducción .......................................................................................................................... 9
1.1 Objetivos .................................................................................................................. 10
1.2 Estructura de la monografía ..................................................................................... 11
Capítulo 2 ............................................................................................................................ 14
Fundamento teórico ............................................................................................................ 14
2.1 Biomasa ................................................................................................................... 14
2.2 Residuos ................................................................................................................... 16
2.3 Cultivos Energéticos ................................................................................................ 18
2.4 Procesos de Conversión de la Biomasa ................................................................... 18
2.5 Biocombustibles ....................................................................................................... 26
Capítulo 3 ............................................................................................................................ 30
Poder calorífico inferior ..................................................................................................... 30
3.1 Caracterización de la biomasa ................................................................................. 30
3.2 Sectores .................................................................................................................... 31
3.3 Poder Calorífico Inferior (PCI) ................................................................................ 33
Capítulo 4 ............................................................................................................................ 35
Potencial energético ............................................................................................................ 35
4.1 Tipos de Residuos Agrícolas ................................................................................... 35
4.2 Sub-sectores Pecuarios ............................................................................................ 37
4.3 Contenido Energético .............................................................................................. 39
Capítulo 5 ............................................................................................................................ 40
Modelamiento matemático................................................................................................. 40
5.1 Potencial energético ................................................................................................. 40
v
5.2 Modelo matemático para la estimación del potencial energético de la biomasa
residual en el sector agrícola. .............................................................................................. 41
5.3 Modelo matemático para la estimación del potencial energético de la biomasa
residual en el sector pecuario. ............................................................................................. 43
5.4 Modelo matemático para el potencial energético en función del proceso de
digestión anaerobia. ............................................................................................................ 43
Capítulo 6 ............................................................................................................................ 46
Recolección e interpretación de la información ............................................................... 46
6.1 Interpretación de la información (DANE) ............................................................... 47
6.2 Metodología MESMIS ............................................................................................. 50
Capítulo 7 ............................................................................................................................ 53
Caso de estudio ................................................................................................................... 53
7.1 Sector agrario ........................................................................................................... 53
7.2 Sector pecuario (bovino y porcino) ......................................................................... 59
7.3 Sector pecuario (avícola) ......................................................................................... 62
Capítulo 8 ............................................................................................................................ 63
Análisis de resultados ......................................................................................................... 63
8.1 Sector Agrícola ........................................................................................................ 63
8.2 Sector Pecuario (Bovino y porcino) ......................................................................... 68
8.3 Sector Avícola .......................................................................................................... 71
8.4 Potencial energético total ......................................................................................... 72
8.5 Impacto ambiental .................................................................................................... 72
Capítulo 9 ............................................................................................................................ 74
Conclusiones ........................................................................................................................ 74
Bibliografía .......................................................................................................................... 76
vi
Lista de Figuras
Figura 1.1: Diagrama de flujo de la metodología desarrollada. ............................................. 13
Figura 2.1: Transformaciones energéticas de la biomasa. ...................................................... 19
Figura 2.2: Proceso Gasificación. ........................................................................................... 21
Figura 2.3: Proceso Digestión Anaerobia. .............................................................................. 23
Figura 2.4: Procesos de conversión de la Biomasa. ............................................................... 25
Figura 3.1: Sectores y sus respectivos residuos. ..................................................................... 31
Figura 3.2: Generadores de biomasa residual sector agrícola. ............................................... 32
Figura 3.3: Generadores de biomasa residual sector Pecuario. .............................................. 33
Figura 8.1: Diagrama para el potencial energético a partir de la palma de aceite. ................. 63
Figura 8.2: Diagrama para el potencial energético a partir de la caña panelera. .................... 64
Figura 8.3: Diagrama para el potencial energético a partir del café. ...................................... 64
Figura 8.4: Diagrama para el potencial energético a partir del maíz. ..................................... 65
Figura 8.5: Diagrama para el potencial energético a partir del arroz. .................................... 65
Figura 8.6: Diagrama para el potencial energético a partir del banano. ................................. 66
Figura 8.7: Diagrama para el potencial energético total de la biomasa residual del sector
agrícola – con caña panelera. .................................................................................................. 66
Figura 8.8: Diagrama para el potencial energético total de la biomasa residual del sector
agrícola – con caña panelera. .................................................................................................. 67
Figura 8.9: Diagrama para el potencial energético total de la biomasa residual del sector
agrícola – excepto la caña panelera. ....................................................................................... 68
Figura 8.10: Diagrama para el potencial energético del sector bovino según su grupo etario.
................................................................................................................................................ 69
Figura 8.11: Diagrama para el potencial energético (GWh/año) del sector bovino según su
grupo etario. ............................................................................................................................ 69
Figura 8.12: Diagrama para el potencial energético del sector porcino según su categoría. .. 70
Figura 8.13: Diagrama para el potencial energético (GWh/año) del sector porcino según su
categoría.................................................................................................................................. 70
Figura 8.14: Diagrama para el potencial energético sector avícola según su propósito. ........ 71
Figura 8.15: Diagrama para el potencial energético (GWh/año) sector avícola según su
propósito. ................................................................................................................................ 71
Figura 8.16: Diagrama para el potencial energético total (GWh/año) de los sectores agrícola
y pecuario. .............................................................................................................................. 72
Figura 8.17: Impacto de la implantación de las energías renovables en el desarrollo
sostenible rural. ....................................................................................................................... 73
vii
Lista de Tablas
Tabla 2.1 Origen y tipo de residuos ........................................................................................ 16
Tabla 2.2 Tecnologías de transformación............................................................................... 19
Tabla 2.3: Procesos de conversión de la Biomasa a Energía Eléctrica. ................................. 23
Tabla 2.4: Residuos orgánicos y sus posibles fuentes de origen. ........................................... 26
Tabla 2.5: Producción de biogás por tipo de residuo animal.................................................. 26
Tabla 2.6: Energía equivalente (Valor Energético) Biogás Vs. otras fuentes. ....................... 27
Tabla 2.7: Descripción de los productos finales de los biodiesel. .......................................... 28
Tabla 2.8: Productos finales de segunda generación. ............................................................. 29
Tabla 3.1: Comparación poder calorífico renovable y no renovable de acuerdo al tipo de
combustible. ............................................................................................................................ 30
Tabla 3.2: Tipos de biomasa residual. .................................................................................... 31
Tabla 3.3: Valor calorífico de acuerdo al cultivo . ................................................................. 32
Tabla 3.4: Poder calórico inferior para biomasa residual en Colombia. ................................ 34
Tabla 4.1: Tipo de residuos de acuerdo al cultivo energético y su origen. ............................ 37
Tabla 4.2: Tasa de producción de estiércol según grupos etarios bovinos y categorías
porcinas. .................................................................................................................................. 38
Tabla 4.3: Tasa de producción de estiércol por sub-sector avícola. ....................................... 39
Tabla 5.1: Factor y fracción de residuo de acuerdo al tipo de residuo de cada cultivo. ......... 42
Tabla 5.2: Relación sólidos volátiles y producción de biogás presentes en los sectores
bovino y porcino. Modelo matemático para la estimación del potencial energético de la
biomasa residual en el sector avícola. .................................................................................... 44
Tabla 5.3: Poder calorífico inferior del sector avícola. .......................................................... 45
Tabla 6.1: Variables sector agrícola y pecuario según el tipo de consulta. ............................ 47
Tabla 6.2: Datos de acuerdo a la plantación - sector agrícola. ............................................... 48
Tabla 6.3: Datos hembras sector bovino por grupos etarios................................................... 48
Tabla 6.4: Datos machos sector bovino por grupos etarios. ................................................... 48
Tabla 6.5: Datos totales sector bovino por grupos etarios. ..................................................... 49
viii
Tabla 6.6: Datos hembras sector porcino por categorías. ....................................................... 49
Tabla 6.7: Datos machos sector porcino por categorías. ........................................................ 49
Tabla 6.8: Datos aves de traspatio – sector avícola. ............................................................... 50
Tabla 6.9: Datos aves ponedoras – sector avícola. ................................................................. 50
Tabla 7.1: características principales residuos sector agrario Cundinamarca. ....................... 54
Tabla 7.2: Resultados caso de estudio sector energético biomasa residual agrícola en
Cundinamarca ......................................................................................................................... 58
Tabla 7.3: Resultados caso de estudio potencial energético biomasa residual pecuario
(bovino y porcino) en Cundinamarca. .................................................................................... 61
Tabla 7.4: Resultados caso de estudio potencial energético biomasa residual pecuaria
(avícola) en Cundinamarca. .................................................................................................... 62
Tabla 8.1: Toneladas de combustibles no renovables reemplazadas por biomasa al año. ..... 72
Tabla 8.2: Efectos ambientales producidos por la generación de energía eléctrica a partir de
fuentes fósiles. ........................................................................................................................ 73
9
Capítulo 1
Introducción
El desarrollo económico y el mejoramiento de las condiciones de vida en Colombia como la
iluminación, el transporte y refrigeración, siempre han considerado al suministro de servicios
energéticos como una de sus funciones centrales. En sectores donde las redes de distribución
nacional y local no pueden llegar, llamados zonas no interconectadas (ZNI), los recursos
renovables se vuelven proyectos claves para la producción de energía [1].
Hoy en día las nuevas tecnologías de producción de energía renovable se tienen como
opciones para abastecer de electricidad áreas que no se encuentran interconectadas a un costo
menor, comparando con los costos que implicaría un sistema de transmisión y distribución
que usualmente no resulta rentable debido a la demanda de las poblaciones presentes en estas
regiones.
A pesar de que los costos para la implementación de proyectos de energía renovable han
disminuido a lo largo de los últimos años [2], aún no se encuentran de manera competitiva,
comparándolos con las fuentes convencionales de producción de energía usando
combustibles de origen fósil. Esto es a razón de múltiples factores que generan esta barrera
para una expansión más fuerte de las energías renovables, como lo son:
Falta de establecimiento de políticas e incentivos financieros que logren tornar
competitivo el uso de las energías renovables a comparación de los subsidios
existentes para la producción de energía a partir de combustibles fósiles.
El costo de inversión inicial para el uso de recursos renovables y su posterior
extracción energética.
Actualmente se intenta lograr independencia de las fuentes de energía fósil principalmente
del petróleo debido al grado de contaminación que aporta al medio ambiente y se intenta por
medio de reglamentación política, desarrollo investigativo y en desarrollo empresarial se
logre potenciar el estudio de las fuentes de energía alternativa y renovable.
Teniendo en cuenta que en Colombia tenemos condiciones propicias para desarrollar
investigación en el sector energético rural, principalmente debido a la clase de producción de
nuestro país, centrado en la producción agroindustrial [3], el presente trabajo plantea el
10
desarrollo de una metodología para analizar cuáles son las alternativas que hay en
Cundinamarca para la producción y uso de biomasa como fuente de energía.
Se tiene certeza de la necesidad del cuidado al medio ambiente, el consumo de productos
fósiles es el responsable de la mayoría de emisiones de dióxido de carbono (CO2), por lo cual
a nivel mundial se han fijado metas en la reducción de emisiones. El 21 de julio de 2015, el
Presidente de la República, Juan Manuel Santos, anunció el compromiso de la Nación de
reducir el 20% de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) para el año 2030, bajo
la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático (CMNUCC) [4].
Es necesario realizar una exploración para reemplazar las fuentes convencionales de
producción de energía eléctrica, con la finalidad de reducir las emisiones de GEI.
Considerando elementos regionales relevantes, se debe buscar qué tipo de esquemas de
generación con fuentes no convencionales y sistemas híbridos, más estrategias de eficiencia
energética para Zonas No Interconectadas (ZNI), se debe utilizar.
La Biomasa, es una fuente de energía renovable, que utiliza los residuos aportados por
diferentes sectores para la producción de energía. En muchas ocasiones no es aprovechada
de una forma óptima, desperdiciándose. El uso de la biomasa puede traer con ella diferentes
ventajas, principalmente porque puede llegar a reemplazar a los combustibles fósiles. A
continuación se detallan algunas de ellas [5]:
Emisiones reducidas de compuestos contaminantes (CO, HC, NOX).
Disminución de las emisiones de azufre.
Control de producción y emisión de CO2, sin contribución al efecto invernadero.
Aprovechamiento de residuos agrícolas, pecuarios y forestales.
Posibilidad de utilización de tierras de rastrojo con cultivos energéticos.
Electrificación de las Zonas No Interconectadas (ZNI).
Autonomía ante las fluctuaciones del precio del petróleo.
Mejora socioeconómica de las áreas rurales.
Estas ventajas convierten a la biomasa en una de las fuentes potenciales de generación de
energía y de empleo en el futuro, siendo un elemento significativo para el equilibrio
territorial, en especial en las zonas rurales.
Actualmente, se cuenta con entidades estatales como la Unidad de Planeación Minero
Energética (UPME), que proponen Planes de Electrificación Rurales Sostenibles (PERS) [6],
realizan análisis de los elementos relevantes en materias de energización, productividad y
emprendimiento, estableciendo rutas definidas para identificar, formular y estructurar
proyectos para el desarrollo y crecimiento de las zonas rurales.
1.1 Objetivos
La presente monografía expone una metodología enfocada en el cálculo del poder energético
a partir de la biomasa en Cundinamarca.
Objetivo General
11
Desarrollar una metodología para estimar el poder energético de la biomasa en el
departamento de Cundinamarca, por medio del estudio de los sectores agrícola y pecuario,
teniendo en cuenta las zonas con potencialidades en producción de energía eléctrica.
Objetivos Específicos
Realizar una recopilación de información, acerca de residuos aprovechables del
sector agrícola y pecuario, en el departamento de Cundinamarca.
Determinar las tecnologías existentes para el uso de la biomasa como fuente de
energía.
Conocer las variables que afecten el poder calorífico de los residuos.
Determinar los pasos de la metodología que permita estimar el potencial de los
recursos presentes en el departamento de Cundinamarca.
Aplicar la propuesta metodológica, con el fin de evaluar el poder energético total
presente en el caso de estudio.
1.2 Estructura de la monografía
Esta monografía se distribuye en ocho capítulos principales que describen la metodología
desarrollada. Esta se desarrolló a partir de investigación sobre los parámetros que
caracterizan la biomasa residual, como son el poder calorífico inferior y la humedad relativa
de los residuos, e involucra diferentes etapas resumidas a continuación: a) identificación de
los sectores, b) caracterización de los residuos, c) modelamiento matemático para el cálculo
del potencial energético de la biomasa residual, d) selección caso de estudio, y e) análisis de
resultados. El capítulo 2 presenta el fundamento teórico del trabajo, donde se exponen los
conceptos de biomasa, residuos, cultivos energéticos, procesos de conversión de la biomasa
y combustibles.
Para dar continuidad a la metodología propuesta, en el capítulo 3 se contextualiza las
características de la biomasa dependiendo de los residuos de cada sector, la humedad relativa
y su importancia en el poder calorífico del residuo, principalmente en el Poder Calorífico
Inferior (PCI). En el capítulo 4 se enfatiza en los tipos de residuos que se obtienen del sector
agrícola (cultivos) y del sector pecuario (sub-sectores), los cuales pueden ser aprovechados
energéticamente, así como en, el contenido energético que pueden llegar a tener y en los tipos
de energía (primaria, útil, entregada, entre otras). También se relaciona el potencial
energético general de la biomasa residual.
Dado el reconocimiento del poder calorífico y los residuos de cada sector expuestos en los
capítulos 3 y 4 respectivamente, se procede en el capítulo 5 al desarrollo de un modelamiento
matemático para estimar el poder energético presente en cada uno de los sectores, haciendo
énfasis en las variables principales para el cálculo del poder energético. Estos modelos están
delimitados a características de los residuos y variables del proceso matemático (factor de
residuos, factor de rendimiento, número de cabezas, sólidos volátiles, entre otros). Sin
embargo, estos parámetros en el caso del sector agrícola varían de acuerdo al tipo de cultivo
(transitorio o permanente) y en el sector pecuario de acuerdo al origen del residuo (bovino,
porcino y avícola).
12
Para llevar a cabo el cálculo del poder energético descrito en el capítulo 5, es necesario
realizar una recolección e interpretación de la información adecuada. Para esto, en el capítulo
6 se describen pasos para lograr adquirir la información necesaria para la aplicación de los
modelos matemáticos, identificando las entidades que pueden brindar información actual
como lo son el DANE y el ICA. En este capítulo se destaca la importancia de incentivar a las
organizaciones a llevar un adecuado registro de los residuos, así como, la elaboración de
bases de datos para facilitar el manejo de la información. También existen modelos
ambientales como la metodología MESMIS la cual propone pasos para una evaluación
ambiental.
Una vez recopilados los datos necesarios en los modelos para el cálculo del poder energético,
definidos en el capítulo 6 y el capítulo 5, estos son integrados en el capítulo 7 en el cual se
realiza la aplicación de los modelos matemáticos sobre un caso de estudio, estimando el
poder energético total presente en el departamento de Cundinamarca. Finalmente, en el
capítulo 8 se realiza el análisis de resultados y las conclusiones más importantes obtenidas
una vez terminado el caso de estudio. La figura 1.1 muestra un diagrama de flujo general de
la metodología donde se aprecia la contribución de cada capítulo dentro de ésta sistema.
FUNDAMENTO TEÓRICO
BIOMASA, RESIDUOS, PROCESOS
Capítulo 2
13
Figura 1.1: Diagrama de flujo de la metodología desarrollada.
CARACTERIZACIÓN BIOMASA
SECTOR AGRÍCOLA
PCI
SECTOR PECUARIO
PCI
TIPO DE RESIDUOS
AGRÍCOLAS
POTENCIAL
ENERGÉTICO
BIOMASA
MODELAMIENTO
MATEMÁTICO
SECTOR
AGRÍCOLA
SECTOR
PECUARIO
SECTOR
AVÍCOLA
RECOLECCIÓN E
INTERPRETACIÓN
DE LA
INFORMACIÓN
APLICACIÓN
CASO DE
ESTUDIO
ANÁLISIS DE
RESULTADOS
Capítulo 3
Capítulo 4
Capítulo 5
Capítulo 7
Capítulo 6
Capítulo 8
SUB-SECTORES
PECUARIOS
14
Capítulo 2
Fundamento teórico
2.1 Biomasa
Definición
Biomasa, es cualquier tipo de materia orgánica que ha tenido su origen inmediato como
consecuencia de un proceso biológico, y toda materia vegetal originada por el proceso de
fotosíntesis, así como los procesos metabólicos de los organismos heterótrofos [7].
La importancia de la biomasa radica en que esta pueda ser aprovechable para ser
transformada en energía, ya sea, eléctrica o como fuente de calor, dado que las sustancias
orgánicas se dan de la materia vegetal, al quemarse producen energía y algunos otros
compuestos como CO2 y agua H2O que a diferencia de los compuestos producidos por los
combustibles fósiles, no alteran la composición de la atmosfera y la mantiene a niveles
constantes [8].
La biomasa significa masa biológica, y corresponde a la cantidad de materia viva producida
en un área determinada de la superficie terrestre por organismos de un tipo específico [9].
También es, definida como la materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o
procedente de la transformación natural o artificial de la misma. Entre los métodos de
aprovechamiento existentes se destaca la combustión directa de la biomasa y la utilización
de residuos orgánicos y cultivos para la producción de biogás y biocombustibles a través de
procesos bioquímicos, que se utilizan para reemplazar compuestos petroquímicos. La
conversión energética de los residuos también se puede realizar mediante procesos
termoquímicos, donde se produce la descomposición de la biomasa por medio de calor, o
procesos bioquímicos que ocurren en presencia de algún catalizador, ya sea un
microorganismo o alguna reacción. La forma más tradicional de aprovechamiento energético
es la combustión, que es un proceso considerado carbono neutral, puesto que las emisiones
son equilibradas con el CO2 absorbido previamente por las plantas y árboles durante su
crecimiento [10].
Clasificación de la biomasa
Por otra parte, es de interés conocer la clasificación de la biomasa. A continuación se realiza
una descripción:
15
1. Biomasa forestal: constituida por residuos de bosques naturales y por bosques
plantados. La madera de los bosques es utilizada en la industria, la construcción, y la
generación de energía y calor. El principio se basa en el aprovechamiento anual
sostenible de bosques naturales que dejan sobre el terreno grandes cantidades de
cortezas, ramas y follaje, lo cual es considerado como residuo. Se debe aclarar que
parte de dichos residuos debe seguir en el terreno para asegurar la permanencia de los
suelos. Los diferentes procesos industriales de la madera: carpintería, ebanistería,
fabricación de papeles y cartones, generan grandes cantidades de aserrín que son
utilizables para la generación de energía.
La biomasa forestal arbórea se define como el peso de materia orgánica que se
encuentra en un ecosistema forestal por encima y por debajo del suelo. Normalmente
se cuantifica en toneladas por hectárea de peso verde o seco. Para su manipulación y
procesamiento de pesaje es frecuente separarla en sus componentes, donde
encontramos la masa del fuste, ramas, hojas, corteza, raíces, hojarasca y madera
muerta. La determinación adecuada de la biomasa de un bosque, es de gran
importancia debido a que ésta permite determinar los montos de carbono y los
elementos químicos existentes en cada uno de sus componentes. Esta información es
de gran importancia en la actualidad, debido a la necesidad de encontrar fuentes
alternativas de biocombustibles, amigables con el medio ambiente que contribuyan a
mitigar el cambio climático generado por el consumo de combustibles fósiles, que
liberan una gran cantidad de dióxido de carbono a la atmósfera [11].
2. Biomasa agrícola: la biomasa agrícola posee un potencial alimenticio e industrial. De
los procesos productivos queda gran cantidad de residuos que son abandonados en el
campo; son ejemplos de ello el bagazo de caña y la cascarilla de arroz, entre otros. Se
tiene que la participación porcentual de los residuos originados en las actividades
productivas agrícolas varía entre el 30% y 78% (son los residuos los tallos y las hoja
de productos como el trigo, el maíz y la soya) [12].
3. Biomasa acuática: está compuesta por plantas acuáticas y algas, poseen generalmente
una alta capacidad de crecimiento y propagación y funcionan como especies
forrajeras y como fuentes bioenergéticas. La tecnología que se aplica para procesar
este tipo de biomasa es la digestión anaeróbica y se produce biogás [8].
4. Biomasa de residuos urbanos: son vertimientos biodegradables, como aguas
residuales urbanas e industriales y residuos ganaderos. También se puede encontrar
en este grupo las basuras orgánicas de actividades industriales, comerciales y
residenciales [13].
16
2.2 Residuos
Dado que la biomasa está directamente relacionada con los residuos, es importante conocer
la definición de dicho término y las diferentes características que pueden tener. A
continuación se relaciona el concepto y su clasificación:
Los residuos se pueden definir como aquellas materias derivadas de actividades de
producción y consumo que no han alcanzado ningún valor económico. También se define
como cualquier sustancia u objeto del cual se desprende su poseedor o tiene obligación de
desprenderse, o en otras palabras que el objeto no tiene utilidad o valor [14]. La tabla 2.1
relaciona el origen y el tipo de residuos:
ORIGEN TIPOS DE RESIDUOS
Agrícolas: relacionados con actividades
agrícolas, forestales o ganaderos y realizados
dentro del perímetro urbano
Fertilizantes, productos agro sanitarios,
residuos de cultivos, bidones con restos de
agroquímicos
Domiciliarios: procedentes de las viviendas,
limpieza de calles y veredas, zonas verdes y
establecimientos industriales y comerciales,
cuando son asimilables a los residuos
domiciliarios.
Restos de comida, materiales plásticos,
papeles, cartones, textiles, cuero, madera,
goma, residuos de jardín, latas y suciedad
proveniente del barrido e higiene en general
Voluminosos: por su forma, tamaño,
volumen o peso son difíciles de ser recogidos
en la recolección convencional.
muebles, colchones, electrodomésticos
Comerciales: surgen de los circuitos de
distribución de bienes de consumo
Papel, cartón, plásticos, restos de comida,
metales, vidrios, latas, maderas
Residuos sanitarias: derivados de actividades
sanitarias procedentes de hospitales, clínicas,
laboratorios de análisis y establecimientos
similares
Material de cura, yesos, ropa y materiales de
un solo uso, cultivos, material contaminado,
restos de tejidos humanos
Construcción y demoliciones: derivados de la
construcción, reparación o ampliación de
viviendas, vías de comunicación, empresas,
entre otros
Maderas, hormigón, acero, ladrillos, piedras,
materiales para la conexión de electricidad,
gas y agua y escombros en general. Vidrios
rotos, aceros de reforzamiento y plásticos
Institucionales: producidos en escuelas,
hospitales, cárceles y dependencias
gubernamentales
Papel, cartón, plásticos, restos de comida,
metales, vidrios, latas, maderas
Servicios municipales: son consecuencia del
funcionamiento y mantenimiento de los
centros municipales
Producto del barrido de calles, residuos de
poda del arbolado urbano, animales muertos
y automóviles abandonados
Industriales: son derivados de actividades
industriales y deben depositarse en
recipientes adecuados
Metales, plásticos, tejidos, fibras, maderas,
vidrios, papel, cartones, chatarra, residuos de
alimentos, cenizas, entre otras.
Universales: representan un riesgo a la salud
y el ambiente, y son generados en los hogares
Pilas, baterías, tubos fluorescentes, cartuchos
de impresora, tintas
Tabla 2.1 Origen y tipo de residuos [15]
17
Clasificación residuos
Los residuos se pueden clasificar en función del sector productivo que los origina, y se
dividen en dos grupos principalmente:
Los derivados del sector primario [15], de actividades como la agricultura,
ganadería, forestales y extractivas (canteras y minas).
Los obtenidos del sector secundario y terciario, formado por residuos industriales y
urbanos básicamente. Dentro de estos grupos se incluyen una multitud de residuos
de muy diversas características, inorgánicos, orgánicos y mezclas de ellos, tóxicas o
inertes, líquidos o sólidos, entre otros [15].
También pueden ser clasificados los residuos como húmedos o secos
a. Húmedos: conocidos también como orgánicos, en esta clasificación se encuentran los
desechos de alimentos, café y envoltorios de papel y envases con restos de alimento.
También se incluyen en esta categoría elementos no recuperables, como las pilas, los
cartuchos de tinta o las lámparas.
b. Secos: Conocidos también como inorgánicos, son los artículos en desuso que pueden
ser recuperados o reciclados, como papel, cartón, plásticos, vidrio y metales, así como
envases de aluminio y tetra pak [16]. Es conveniente que cuando se desechen envases
de alimentos no queden restos orgánicos, cuanto más limpio se encuentre el material,
más valor tiene de recuperación para el reciclaje.
De manera específica se realiza una separación a la anterior clasificación para entender qué
tipo de residuos pertenecen a cada grupo [17]:
a. Residuos agrícolas: restos de cosechas y derivados, siendo los más abundantes y
dispersos, de difícil control.
b. Residuos de actividades ganaderas
Residuos ganaderos de cría: excrementos, camas y lechos, y al igual que los
anterior presentan una gran dispersión.
Residuos de mataderos (industrias cárnicas): huesos, sangre, pellejos, etc., que
pueden ser más fácilmente controlados que los anteriores al tener una localización
más detallada de los mataderos e industrias agroalimentarias.
c. Residuos forestales: restos de poda y de diversas labores de silvicultura, de dudoso
control y de amplia difusión.
d. Residuos industriales
Residuos industriales inertes: materiales apagados, res tos de industrias no
peligrosas tales como chatarras, vidrios, cenizas, escorias, arenas, polvos de
metales, abrasivos, etc.
18
Residuos tóxicos y peligrosos: ácidos, residuos radiactivos, etc., en definitiva,
materiales que contienen sustancias que presentan un riesgo para la salud humana.
Residuos de actividades extractivas
Residuos mineros y de cantería: escombros de minas y metalurgia.
e. Residuos urbanos y asimilados
Escombros de obras.
Lodos de depuradoras de aguas residuales.
Residuos domésticos: fundamentalmente basuras, con presencia de papel, cartón,
plásticos, textiles, maderas, gomas, etc., y ocasionalmente enseres domésticos
metálicos.
2.3 Cultivos Energéticos
Cultivos Permanentes
Los cultivos permanentes son aquellos donde su cosecha (vida productiva) dura varios años.
Debe transcurrir un periodo significativo, periodo en el cual son improductivos, donde se
debe invertir a gran escala para poder recoger la primera cosecha. Algunos ejemplos de
cultivos permanentes son: banano, cacao, café, caña de azúcar, palma africana, frutales
(durazno, mango, papaya, entre otros).
Cultivos Transitorios
Los cultivos transitorios son aquellos que tienen un ciclo de crecimiento menor a un año, en
muchas ocasiones de pocos meses. Al recoger su cosecha la planta queda destruida, y por lo
tanto no se pueden volver a producir una nueva cosecha [18]. Algunos ejemplos de cultivos
transitorios son: cereales (maíz, trigo, cebada, arroz), tubérculos (papa), algunas oleaginosas
(el ajonjolí y el algodón), yuca y ñame.
Granja Energética
Las “Granjas energéticas” por medio del uso de biomasa intentan dar, dentro de los ámbitos
rurales, una revitalización economía rural y a su vez lograr generar energía de formas seguras
e independientes sin dejar a un lado los beneficios ambientales por el manejo de los residuos
[19]. Así, se pretende que las comunidades rurales sean energéticamente auto- suficientes
haciendo uso de los residuos presentes en cada locación.
2.4 Procesos de Conversión de la Biomasa
Los procesos que suelen aplicarse para la conversión de la biomasa en energía; suele
convertirse la biomasa en combustibles, bien sea líquidos, solidos o gaseosos, usando
procesos de conversión como se muestra en la figura 2.2. Con estos se genera
biocombustibles y biogás [20-21], los cuales pueden reemplazar los combustibles fósiles en
algunas aplicaciones. Para la transformación de la biomasa a otro tipo de energía se debe
tener claro las propiedades propias de cada uno de los residuos a los cuales se les pueda
aplicar un proceso de transformación.
19
Figura 2.1: Transformaciones energéticas de la biomasa. [14]
Con el paso de los años se ha dedicado investigación para realizar los procedimientos
adecuados para la conversión energética de la biomasa. En la tabla 2.2 se especifica el
proceso de aprovechamiento y el producto que se obtiene:
TIPO DE PROCESO PROCESO DE
APROVECHAMIENTO PRODUCTO OBTENIDO
Termoquímico
Combustión Calor, gases a altas temperaturas
Gasificación Gas combustible
Pirolisis
Gases combustibles, Líquidos
(alquitrán, ácido piroleñoso, bio-
aceites), Sólidos (carbón vegetal)
Licuefacción Hidrocarburos, bio-aceites
Biológico Fermentación Etanol
Digestión anaerobia Biogás
Tabla 2.2 Tecnologías de transformación. [5]
20
Procesos Termoquímicos
Los procesos de conversión termoquímica utilizan calor como fuente de transformación de
la biomasa para obtener subproductos con alto valor energético, como vapor y gases
combustibles. Estos pueden ser utilizados posteriormente en turbinas o motores que permiten
la generación de energía eléctrica o pueden ser utilizados como fuentes de calor directos para
satisfacer necesidades de energía térmica. Entre los procesos termoquímicos se encuentran:
a. Combustión o quema directa:
La combustión directa consiste en la obtención de energía mediante la combustión de la
biomasa, principalmente residuos de la industria primaria, secundaria y terciaria forestal [15].
La biomasa como combustible es quemada en una caldera en la cual se produce vapor, este
viaja hacia la turbina debido a una elevación de presión. Al llegar a la turbina permite que
exista un movimiento en ella, es decir existirá una energía mecánica, produciendo un
movimiento en el generador eléctrico, para finalmente obtener energía eléctrica.
El proceso de combustión directa es el más utilizado y antiguo para generación de energía
con biomasa, y también es el método más económico. En el caso de generación de energía
térmica, sólo requiere de una fuente para la obtención de biomasa y una caldera para la
combustión; en cuanto a eficiencia, para la generación de energía eléctrica se encuentra entre
el 15 a 38% y para el caso de generación térmica se encuentra por encima del 70% [14].
Combustión directa con cogeneración
Esta tecnología es similar al proceso de combustión directa, pero en lugar de generar
únicamente energía térmica también se produce electricidad, mediante la utilización de
turbinas que a provechan el vapor generado en la caldera, con un rango de potencia en general
menor a 250 MW [7]. En cuanto a la eficiencia en la conversión, ésta depende del tipo de
energía generada, sin embargo, al cogenerar la eficiencia se encuentra cercana al 80% [14].
b. Gasificación
La gasificación es un proceso térmico en ausencia de oxígeno. Convierte la materia prima
solida o liquida en una mezcla de gases (H, CO, CH4) llamado biogás, y después de obtener
el biogás se utiliza en plantas para la generación de electricidad.
El poder calorífico que se obtiene del biogás se encuentra entre 14 y 19 MJ/m3. En caso de
realizar la prueba con presencia de aire como oxidante, existe aproximadamente un 42% de
nitrógeno en la mezcla y como consecuencia se verá afectado el poder calorífico ya que se
disminuye hasta valores de 7MJ/m3 [15], conocido como gas pobre, que puede ser usado en
equipos convencionales, como los motores diésel.
Esta tecnología es utilizada para obtener energía eléctrica y/o térmica, con un rango de
potencia de 30 kW y 40 MW. Es un tipo de pirolisis donde se utiliza en mayor proporción
oxígeno a altas temperaturas, con el objetivo de optimizar la producción del llamado gas
pobre o “SYNGAS”, constituido por una mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y
metano, con proporciones menores de dióxido de carbono y nitrógeno [22].
21
Existen diferentes tecnologías de gasificación y su aplicación, dependiendo de características
de la materia prima utilizada, como humedad, tamaño de partícula, porcentaje de volátiles y
la escala del sistema.
Figura 2.2: Proceso Gasificación.
c. Pirolisis o termólisis
El proceso de pirolisis consiste en romper las moléculas orgánicas, generando gasificación
de los compuestos fácilmente degradables a través de un calentamiento directo o indirecto o
igualmente; descompone térmicamente los recursos en ausencia de oxígeno para generar
unidades más simples como el carbono. La pirolisis utiliza calor indirecto para convertir los
materiales solidos orgánicos en gases y solidos con alto contenido de carbón. La conversión
se lleva a cabo en una cámara de reacción donde el aire, es decir, el oxígeno está totalmente
excluido [23]. Dentro de la cámara las temperaturas llegan hasta 400°C o 500°C.
El producto resultante de este proceso es un gas combustible principalmente compuesto por
monóxido de carbono (CO) e hidrogeno (H2), que puede utilizarse para la obtención de calor
o electricidad en motores a combustión con potencias hasta 10 MW y eficiencias de 60-70%,
o en turbinas a gas con eficiencias superiores y mediante ciclos combinados de alta eficiencia
[24]. El poder calorífico del gas se obtiene es de 8 a 15MJ/m3, y el carbón vegetal resultante
posee un poder calorífico de 25 a 30 MJ/kg [15].
d. Licuefacción
El proceso de licuefacción se basa en la hidrogenación indirecta. Las moléculas de celulosa
y lignina son rotas, el oxígeno es removido y se adicionan átomos de hidrógeno [15]. El
producto de la reacción química es una mezcla de hidrocarburos que al enfriarse se condensan
en un líquido.
En este proceso la biomasa se calienta con vapor y monóxido de carbono, o hidrogeno, a
temperaturas que pueden ir desde 250°C a 460°C en presencia de un catalizador. Para este
proceso no es obligatorio que la biomasa este seca como en otros que si lo requieren, y esto
es debido a que en el proceso se adiciona agua [25].
22
Procesos Biológicos
Los procesos biológicos se presentan mediante reacciones químicas y biológicas asociadas a
procesos metabólicos de microorganismos que permiten la degradación de la biomasa. Como
resultado de este proceso se obtienen productos energéticos que pueden ser posteriormente
transformados en energía útil [26]. En general, los métodos de conversión bioquímica se
utilizan cuando se dispone de fuentes de biomasa que tienen un alto contenido de humedad,
puesto que tanto los microorganismos como las enzimas actúan en ambientes húmedos [25].
Entre los procesos biológicos se encuentran:
a. Fermentación alcohólica
La fermentación alcohólica es un proceso que tiene como objetivo la producción de alcohol
etílico (etanol), a partir de la biomasa con alto contenido de azucares, almidones o celulosa,
mediante procesos de hidrólisis y fermentación [25], entre los residuos que se pueden utilizar
se encuentran: frutas, caña de azúcar, remolacha, entre otros.
El etanol es empleado fundamentalmente como combustible para reemplazar los
combustibles en los motores de combustión interna El alcohol anhidro tiene un poder
calorífico de 32,7MJ/kg; el hidratado tiene un poder calorífico de 23,5MJ/kg [27].
Esta tecnología se está utilizando para generar sustitutos de combustibles fósiles, consiste en
un proceso mediante el cual se obtienen combustibles líquidos como etanol a partir de la
biomasa. Se produce por medio de la fermentación de azúcares, utilizando cualquier producto
de origen vegetal que contenga azúcares transformables, principalmente azúcar de caña,
remolacha, trigo, maíz y papa [15].
b. Digestión anaerobia
La digestión anaerobia se conoce como fermentación metánica. Es un proceso de oxidación
de residuos animales y vegetales en ausencia de aire donde se produce gas y lodo; el gas que
se produce se denomina biogás y el lodo se le da uso como fertilizante orgánico.
Este proceso se lleva a cabo en un digestor sellado a condiciones adecuadas para que las
bacterias metanogénicas fermenten el material orgánico en condiciones libres de oxígeno.
Aproximadamente entre el 30% y el 60% del recurso se convierte en biogás, el cual tiene alto
contenido energético y es fácil de almacenar [27]. Entre sus aplicaciones esta: la producción
de energía térmica en estufas de gas, producción directa de energía térmica, producción de
energía mecánica, iluminación de lámparas de gas, entre otras.
La implementación de esta tecnología permite la obtención de energía eléctrica y/o térmica,
con un rango de potencia eléctrica de alrededor de 0,3-10 MW [27].
Los principales componentes de un proceso de digestión anaeróbica son el reactor donde se
lleva a cabo la digestión y su sistema de calefacción de ser requerido, los mezcladores que
permiten obtener una mezcla completa dentro del reactor, los cuales facilitan la degradación
de la biomasa, los extractores de biogás y los gasómetros.
23
La digestión anaeróbica para producir biogás está expandiéndose en múltiples aplicaciones,
no solo en la conexión a la red de distribución de electricidad, sino también en aplicaciones
domiciliarias y rurales. En la digestión anaeróbica se convierte solo una porción de la materia
prima (alrededor del 50-60%), pero produce subproductos que pueden ser utilizados en
acondicionamiento de suelos.
Figura 2.3: Proceso Digestión Anaerobia.
c. Transesterificación
La transesterificación es un proceso químico a través del cual aceites (de girasol, raps
(Canola) y otras fuentes) se combinan con alcohol (etanol o metanol) para generar una
reacción que produce ésteres grasos como el etil o metil ester. Estos pueden ser mezclados
con diésel o usados directamente como combustibles en motores comunes. La eficiencia de
conversión, de aceite a biodiesel es del orden del 98% [28].
BIOMASA
"HÚMEDA” BIOMASA "SECA"
Recursos o residuos
agrícolas, pecuarios,
agroindustriales
Recursos o residuos agrícolas,
agroindustriales o forestales
Procesos Bioquímicos de
Conversión Procesos Termoquímicos de Conversión
Biodigestión Gasificación Combustión
Biogás Gas Pobre Vapor
Motor de Combustión
Interna
Motor de
Combustión
Interna
Motor de Vapor o
Turbina de Vapor
Energía Mecánica Energía Mecánica Energía Mecánica
Generador Generador Generador
Energía Eléctrica Energía Eléctrica Energía Eléctrica Tabla 2.3: Procesos de conversión de la Biomasa a Energía Eléctrica. [11].
24
La tabla 2.3 muestra de qué manera, dependiendo de la humedad presente en los residuos, se
debe acondicionar la biomasa y los procesos de conversión necesarios para obtener
finalmente en el proceso energía eléctrica [29].
Factores que afectan los procesos de conversión
Es importante conocer todas las posibles variables que intervienen en el proceso. A
continuación se relacionan algunos para los procesos de pirolisis y gasificación [22]:
a. Factores que afectan la pirolisis
Tamaño partícula: cuando se encuentran partículas de tamaños pequeños se reduce la
formación de carbonizado.
Altura del lecho de biomasa. Al aumentar la altura del lecho, posiblemente los gases
no salgan fácilmente del lecho, lo cual perjudica el proceso produciendo
transformaciones, tal como mayor formación de carbonizado y reducción en
alquitranes; para el caso en el que la altura se disminuye y las partículas son grandes
se produce el efecto contrario, es decir, menor formación de carbonizado y mayor
formación de alquitranes.
Presión: al reducirse la presión se reduce la formación de carbonizado, y se aumenta
la formación de alquitranes.
Temperatura final: al incrementar se da mayor tiempo para la degradación del
material sólido, y de mantenerse constante va a ocasionar la disminución en la
formación de carbonizado, lo cual conlleva a una mayor formación de materia volátil
que a su vez se descompone formando gases y alquitranes.
b. Factores que afectan la gasificación
Estos se clasifican en tres grupos, condiciones de operación, agentes de reacción y
características de la biomasa.
Temperatura del proceso: las reacciones de gasificación del carbonizado se hace
apreciable a temperaturas mayores a 500°C.
Tiempo de residencia: este va influir de acuerdo al tiempo en el que se permita el
agente oxidante reacción con el carbonizado (producto de la pirolisis), al aumentar el
tiempo se reduce la cantidad de material sólido y de alquitranes.
Agente oxidante: como agente oxidante se puede utilizar aire, oxígeno, dióxido de
carbono, vapor de agua o una mezcla de estos. Al utilizar aire, se obtiene un poder
calorífico de 4 a 6 MJ/Nm3, debido a la presencia de N2 en la reacción; al utilizar
oxigeno o vapor de agua se obtiene un gas con poder calorífico de 10 a 15 MJ/Nm3 y
de 13 a 20 MJ/Nm3 respectivamente. Y cuando se utiliza hidrógeno se obtiene un
poder calorífico superior de 40 MJ/Nm3.
Materia prima: es el carbonizado obtenido del proceso de pirolisis, los compuestos
inorgánicos que se encuentren en el carbonizado pueden llegar a tener un efecto
catalizador en las reacciones, esto depende de la composición química de las cenizas
y su peso en el carbonizado, por lo general se presenta aglomeración de cenizas en
25
procesos termoquímicos, formando una capa en el interior del equipo, lo cual no
permite el flujo de biomasa al interior del equipo.
Transformación de la energía a partir de la biomasa
Con el uso de los procesos de conversión de la biomasa es posible tener diferentes tipos de
energía [30] como lo son:
Electricidad: se considera una energía limpia, gracias a que no contribuye con
emisiones de dióxido de carbono (CO2), reduciendo la producción de Gases Efecto
Invernadero (GEI), ofreciendo variadas opciones al mercado, ya que los costos de su
producción permiten a los usuarios poder hacer inversión en tecnologías cada vez
más eficientes aumentando la inclusión en la industria de la bioenergía.
Cogeneración: se define como el proceso en el cual se obtienen energía eléctrica y
térmica útil.
Combustibles:
o Biogás: se genera por reacción de la biodegradación de la materia orgánica,
normalmente en ausencia de oxígeno; este proceso se denomina digestión
anaeróbica. También puede ser extraído por el método de gasificación, es
utilizado para motores de combustión interna para generar energía eléctrica,
vehículos modificados con funcionamiento en gas, en los sectores comerciales,
institucionales y domésticos.
o Biocombustible: es una mezcla de hidrocarburos utilizado como combustible en
algunos motores de combustión interna, como el biodiesel y el etanol, poseen
potencial para reemplazar a los combustibles fósiles en aplicaciones de transporte
y generación.
Figura 2.4: Procesos de conversión de la Biomasa.
26
2.5 Biocombustibles
El uso de biocombustibles conlleva a algunos de los beneficios al ser utilizados como fuente
renovable de energía, como es la reducción de gases efecto invernadero (GEI), la disminución
de la pobreza rural por medio de inversión en su desarrollo y un aumento de las exportaciones
[3]. Por esta razón las políticas a nivel mundial se han enfocado en la producción de
biocombustibles en países del centro y de la periferia, donde se encuentran tierras con alto
potencial de cultivo y procesamiento de materias primas para producir biocombustibles.
Biogás
Las diversas materias primas que se pueden utilizar en la digestión anaerobia, pueden ser
residuos orgánicos de origen vegetal, animal, agroindustrial, forestal, doméstico u otros.
RESIDUOS DE
ORIGEN POSIBLES FUENTES DE ORIGEN
Animal Estiércol, orina, guano, camas, residuos de mataderos (sangre y
otros), residuos de pescado.
Vegetal Malezas, rastrojos de cosechas, pajas, forraje en mal estado.
Humano Heces, basura, orina.
Agroindustriales Salvado de arroz, orujos, cosetas, melazas, residuos de semillas
Forestales Algas marinas, jacintos y malezas acuáticas.
Tabla 2.4: Residuos orgánicos y sus posibles fuentes de origen [27].
Las características bioquímicas presentes en los residuos deben permitir el desarrollo y la
actividad microbiana del sistema anaeróbico [13]. El proceso no solo requiere fuentes de
carbono y nitrógeno sino también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales
(azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto,
selenio, tungsteno, níquel y otros menores).
Normalmente los residuos orgánicos como el estiércol y lodos cloacales presentan estos
elementos en proporciones adecuadas [27].
ESTIÉRCOL DISPONIBILIDAD
kg/día
VOLUMEN DE BIOGÁS
m3/kg Húmedo m3/día/año
Bovino(500 kg) 10,00 0,04 0,400
Porcino(50 kg) 2,25 0,06 0,135
Aves(2 kg) 0,18 0,08 0,014
Ovino(32 kg) 1,50 0,06 0,075
Caprino(50 kg) 2,00 0,05 0,100
Equino(450 kg) 10,00 0,04 0,400
Tabla 2.5: Producción de biogás por tipo de residuo animal [27].
La disponibilidad en la tabla 2.6 es la cantidad estimada de estiércol que es posible recolectar
de todo el producto por día.
27
VALORES BIOGÁS GAS
NATURAL
GAS
PROPANO
GAS
METANO HIDRÓGENO
Valor Calorífico (Kwh/m3) 7 10 26 10 3
Densidad (t/m3) 1,08 0,7 2,01 0,72 0,09
Densidad con respecto al
aire 0,81 0,54 1,51 0,55 0,07
Temperatura de encendido 687 650 470 650 585
Requerimiento teórico de
aire (m3/m3) 6,6 9,5 23,9 9,5 2,4
Tabla 2.6: Energía equivalente (Valor Energético) Biogás Vs. otras fuentes [27].
Con una producción promedio del Biogás de CH4 (65%) – CO2 (35%)
Aplicaciones del biogás
1. Producción de calor: El uso más simple del biogás es para la obtención de energía térmica
(calor). En aquellos lugares donde los combustibles son escasos o difíciles de adquirir, los
sistemas pequeños de biogás pueden proporcionar la energía calórica para actividades básicas
como cocinar y calentar agua. Los sistemas de pequeña escala también se pueden utilizar
para iluminación.
2. Producción de electricidad o combinación de calor y electricidad: Los sistemas
combinados de calor y electricidad utilizan la electricidad generada por el combustible y el
calor residual que se genera. Algunos sistemas combinados producen principalmente calor y
la electricidad es secundaria. Otros sistemas producen principalmente electricidad y el calor
residual se utiliza para calentar el agua del proceso. En ambos casos, se aumenta la eficiencia
del proceso en comparación si se utilizara el biogás sólo para producir electricidad o calor.
Las celdas de combustible se consideran las plantas de energía a pequeña escala del futuro
para la producción de electricidad y calor con una eficiencia superior al 60% y bajas
emisiones.
3. Combustible para vehículos: El uso vehicular del biogás es posible y en la realidad se ha
empleado desde hace bastante tiempo. Para esto, el biogás debe tener una calidad similar a
la del gas natural, para usarse en vehículos que se han acondicionado para el funcionamiento
con gas natural.
Biodiesel
Es un combustible principalmente de origen vegetal el cual puede utilizarse como alternativa
para suplementar el combustible de origen fósil como lo es el diésel o el ACPM [31]. Las
características principales para su producción son: su naturaleza biodegradable y renovable
como alternativa de desarrollo sostenible y la reducción de emisiones al medio ambiente [11].
Las propiedades que caracterizan el biodiesel dependen de la capacidad de producción
deseada, la calidad de la materia prima utilizada, el tipo de alcohol y catalizador en la
producción del combustible.
Normativamente
28
La entrada al mercado de los biocombustibles de origen vegetal en Colombia empieza con
la Ley 693 de 2001, donde se establece: “las gasolinas que se utilicen en el país en los centros
urbanos de más de 500.000 habitantes tendrá que contener componentes oxigenados tales
como alcoholes carburantes, en la cantidad y calidad que establezca el Ministerio de Minas
y Energía,…, El combustible diésel, podrá contener como componente oxigenante etanol
carburante” [7]. Esta Ley tuvo como propósito incentivar las alternativas compatibles con el
desarrollo sostenible como también, suministro estímulos para la producción,
comercialización y consumo de los agros carburantes. Los principios dentro de la ley 693
que promueven el uso de los biocombustibles son:
Sostenibilidad ambiental
Mejoramiento en la calidad de los combustibles
Desarrollo agroindustrial
Generación de empleo
Desarrollo Agrícola
Abastecimiento Energético
Y la Ley 939 de 2004 establece: “Articulo 6. Para efectos de interpretar y aplicar la presente
ley se entiende por Biocombustibles de origen vegetal o animal para uso en motores diésel
aquel combustible líquido o gaseoso que ha sido obtenido de un vegetal o animal que se
puede emplear en procesos de combustión y que cumplan con las definiciones y normas de
calidad establecidas por la autoridad competente, destinados a ser sustituto parcial o total
del ACPM utilizado en motores diésel”.
En la tabla 2.7 se observan los productos que son considerados biocombustibles para motores
diésel.
PRODUCTO DESCRIPCIÓN
Bioetanol Etanol producido de biomasa y/o de residuos biodegradables para ser
utilizado como biocombustible
Biodiesel Metil/Etil éster producido por aceite vegetal o animal de la calidad de
un diésel
Biometanol Metanol producido a partir de Biomasa.
Biodimetileter Dimetileter producido a partir de biomasa
Biocombustibles
sintéticos
Hidrocarburos sintéticos o mezclas de los mismos que han sido
producidos a partir de biomasa
Biohidrógeno Hidrógeno producido de biomasa y/o residuos biodegradables
Aceites
Vegetales Puros
Aceites producidos de vegetales a través de presión, extracción o
procedimientos similares, crudos o refinados
Tabla 2.7: Descripción de los productos finales de los biodiesel [32].
Son los resultados de los procesos de los biocombustibles, esta clasificación es importante
para el estudio de los mismos pues muestra diferentes posibilidades para aprovechar los
29
recursos o materias primas utilizando diferentes procesos de conversión [33]. Algunos de los
biocombustibles están en proceso de consolidación o investigación.
GRUPO DE
BIOCOMBUSTIBLE
BIOCOMBUSTIBLE
ESPECÍFICO MATERIA PRIMA
ESTADO PROCESO
DE PRODUCCIÓN
Bio-etanol Etanol celulósico Materiales ligno-celulosicos Hidrólisis enzimática y
fermentación avanzada
Biocombustibles
sintéticos
Biomasa a líquido (BTL)
Materiales ligno-celulosicos Gasificación y síntesis
avanzadas
Fischer-tropsch (FT)
Diesel sintético
Biometanol
Butanol
Dimetil éter (DME)
Biodiesel
(híbrido 1' 2')
NExBTL Aceites vegetales Hidrogenación
H-Bio Grasas animales Pirolisis
Aceite de algas Ligno-celulosa Cultivo
Diesel de pirolisis verde Algas
Metano Gas natural biosintético Ligno-celulosa Gasificación, Síntesis
Bio-hidrogeno Hidrogeno Ligno-celulosa Gasificación, Síntesis
Tabla 2.8: Productos finales de segunda generación.
30
Capítulo 3
Poder calorífico inferior
3.1 Caracterización de la biomasa
El contenido energético de la biomasa suele medirse en términos del poder calorífico del
recurso. El poder calorífico de un combustible se refiere a la cantidad de calorías que es capaz
de producir por la combustión de una unidad de masa de cada elemento, de manera que no
solamente la biomasa, sino cada combustible tiene asociado un valor con el que se puede
comparar con otros de características similares [34].
Las unidades se darán de acuerdo al estado en el que se encuentre el combustible bien sea
sólido, como la leña y los residuos agroindustriales, liquido, como el diésel y ACPM, o
gaseoso, como el gas [3]. Se puede observar y comparar en la tabla 3.1 el valor calorífico que
tienen los combustibles a partir de recursos convencionales y también de los recursos
renovables.
COMBUSTIBLES VALOR CALORÍFICO
No Renovables
Carbón Mineral 27,5 MJ/kg
Gasolina 46,8 MJ/kg
ACPM 43,2 MJ/kg
Petróleo 43,2 MJ/kg
GLP 93,6 MJ/kg
Gas Natural 37,58 MJ/kg
Renovables
Leña 15,49 MJ/kg
Madera seca 18 - 22 MJ/kg
Bagazo de caña seco
(30%) 11,7 MJ/kg
Cascarilla de arroz 13,9 - 16,2 MJ/kg
Biogás 21,6 MJ/kg Tabla 3.1: Comparación poder calorífico renovable y no renovable de acuerdo al tipo de
combustible [14].
31
Es necesario aclarar que el poder calorífico de los recursos en el caso de la biomasa, varía de
acuerdo con el nivel de humedad al que se encuentre. Particularmente, cuando se tiene mayor
humedad el poder calorífico será menor. Para el caso de la biomasa, es necesario que el
contenido de humedad sea menor al 30% [5]. En muchas ocasiones los residuos se encuentran
con gran contenido de humedad, lo cual exige realizar acondicionamientos, por esto suele
someterse los recursos a procesos de secado previo, ya sea naturalmente o en forma inducida
con el fin de volver la materia prima lo más apta posible para los procesos de transformación
de energía.
Fuente
generadora de
Biomasa
Tipo de Residuo Características físicas
Residuos
Forestales
Restos de aserrín: corteza, aserrín, astillas Polvo, sólido, HR > 50%
Restos de ebanistería: aserrín, trozos,
astillas Polvo, sólido, HR 30 - 45%
Restos de plantaciones: ramas, corteza,
raíces Sólido, HR > 55%
Residuos
Agropecuarios
Cáscara y pulpa de frutas y vegetales Sólido muy húmedo
Cáscara y polvo de granos secos Polvo, HR < 25%
Estiércol Sólido muy húmedo
Tallos, hojas, cáscaras, maleza, pastura Sólido, HR > 55%
Residuos
Industriales
Pulpa y cáscara de frutas y vegetales
Sólido moderadamente
húmedo
Residuos de procesamiento de carnes Sólido muy húmedo
Aguas de lavado de carnes y vegetales Líquido
Grasas y aceites vegetales Líquido gaseoso
Residuos
Urbanos
Aguas negras Líquido
Desechos domésticos orgánicos Sólido muy húmedo
Basura orgánica Sólido muy húmedo
Tabla 3.2: Tipos de biomasa residual [5].
3.2 Sectores
Residuos más significativos en cada sector.
Figura 3.1: Sectores y sus respectivos residuos [5].
32
Sector Agrícola
El sector agrícola genera una cantidad considerable de biomasa [35]. En este sector podemos
destacar los subproductos que se generan durante los procesos de recolección como residuos
agrícolas de cosecha y se representan los cultivos.
Para los cultivos energéticos se usa normalmente plantas que tengan un rápido crecimiento y
no necesiten mucha supervisión para su cultivo. Algunos como las plantas acuáticas, la soya
y el maní son utilizados para producir biodiesel. Y otras como el maíz, la yuca, el trigo y la
caña de azúcar para producir bioetanol.
Figura 3.2: Generadores de biomasa residual sector agrícola [5].
En la tabla 3.3 se pueden observar algunos datos de poder calorífico de algunos cultivos
energéticos, estos datos equivalen al PCI de cada materia prima en caso de ser utilizada, no
solo considerando el PCI propio de los residuos, si no, el PCI propio del cultivo:
TIPO CULTIVO PRODUCTO
ENERGÉTICO
TIPO DE
PRODUCTO
PODER
CALORÍFICO
(MJ/kg)
Cultivos
energéticos
transitorios
Arroz Cascarilla Residuo Agroindustrial 13,9
Maíz Alcohol Alcohol 26,7
Cebada Alcohol Alcohol 26,7
Maní Aceite Biodiesel 37,47
Papa Alcohol Alcohol 26,7
Trigo Alcohol Alcohol 26,7
Yuca Alcohol Alcohol 26,7
Cultivos
energéticos
permanentes
Caña de
Azúcar
Alcohol Alcohol 26,7
Bagazo Residuo Agroindustrial 8,9
Residuo cosecha Residuo cosecha 15
Caña Miel
Alcohol Alcohol 26,7
Bagazo Residuo Agroindustrial 8,9
Residuo cosecha Residuo cosecha 15
Caña Panela
Alcohol Alcohol 26,7
Bagazo Residuo Agroindustrial 8,9
Residuo cosecha Residuo cosecha 15
Palma
Africana
Aceite Biodiesel 36,95
Pulpa Residuo Agroindustrial 20,52
Tabla 3.3: Valor calorífico de acuerdo al cultivo [14].
33
Sector Pecuario
Las muestras representativas de biomasa para el sector pecuario suele tener más relevancia
aquellas donde participan varias entidades para lograr tener censos y con esto establecer la
relación y producción por subsectores de estas [36].
Este sector es una gran fuente para la producción de biomasa, debido a que poseen grandes
niveles de nutrientes inorgánicos como fosforo y nitrógeno en sus residuos, además cuentan
con la habilidad de desprender vapores, es decir compuestos orgánicos volátiles y gases.
Los residuos del sector pecuario cuentan con niveles considerables de humedad que hacen
necesario el uso del proceso de digestión anaerobia, logrando un mayor aprovechamiento de
la energía generable a partir de estos.
Figura 3.3: Generadores de biomasa residual sector Pecuario [5].
3.3 Poder Calorífico Inferior (PCI)
El Poder Calorífico Inferior (PCI) se define como la cantidad de energía que se desprende en
la combustión de una unidad de masa de un material combustible en la que el agua se libera
en forma de vapor. Si esta agua se condensa desprendería calor, y se obtendría entonces el
Poder Calorífico Superior (PCS), añadiendo al PCI este calor desprendido. Por tanto, el PCI
es menor que el PCS, y, a mayor humedad del combustible, mayor resultará esta diferencia.
Por lo tanto, el contenido energético de la biomasa se mide en el poder calorífico que el
recurso posee. Este término hace referencia a la cantidad de calor que es capaz de producir
por medio de la combustión por unidad de masa del recurso, la unidad de medida puede estar
dada en MJ/kg, MJ/lt o MJ/m3, de acuerdo al estado en el que se encuentre la materia (sólido,
líquido, gaseoso) [29,37].
Se observa en la tabla 3.4 el valor calorífico que tienen los sectores agrícola, pecuario y los
Residuos Sólidos Orgánicos Urbanos (RSOU) a partir de diferentes fuentes generadoras de
biomasa y también de los tipos de residuos.
34
Sector Fuente de
biomasa Tipo residuo PCI (kcal/kg) PCI (kJ/kg)
Agrícola
Palma de aceite
Cuesco 3.988 16.685,79
Fibra 4.273 17.878,23
Raquis 4.021 16.823,86
Caña de azúcar RAC 3.684 15.413,86
Bagazo 4.456 18.643,90
Caña para panela
Bagazo 4.456 18.643,90
Hojas secas 4.007 16.765,29
RAC 3.684 15.413,86
Café
Pulpa 4.259 17.819,66
Cisco 4.430 18.535,12
Tallos 4.384 18.342,66
Maíz
Rastrojo 3.429 14.346,94
Tusa 3.390 14.183,76
Capacho 3.815 15.961,96
Hojas secas 4.274 17.882,42
Arroz Tamo 3.113 13.024,79
Cascarilla 3.603 15.074,95
Banano
Raquis 1.809 7.568,86
Vástago 2.032 8.501,89
Rechazo 2.488 10.409,79
Plátano Raquis 1.808 7.564,67
Vástago 2.032 8.501,89
Pecuario
Avícola Ponedoras 2.248 9.405,63
Engorde 3.645 15.250,68
Bovino
Leche 2.801 11.719,38
Doble propósito 3.680 15.397,12
Carne 3.783 15.828,07
Porcino Tecnificado 6.049 25.309,02
No tecnificado 4.163 17.417,99
RSOU
Plaza mercado Sólido orgánico 3.772 15.782,05
Centro acopio Sólido orgánico 3.772 15.782,05
Poda Sólido orgánico 3.772 15.782,05 Tabla 3.4: Poder calórico inferior para biomasa residual en Colombia.
Así mismo existe un PCI dependiendo del tipo de residuo. Este varía dependiendo de las
propiedades del residuo, por ejemplo, como se observa en la tabla 3.4 el PCI presente en el
bagazo de la caña panelera es mayor al PCI de las hojas secas de la misma. Esto sucede por
la composición del residuo, su humedad y su capacidad de producir calor, a pesar de ser parte
de la misma fuente de biomasa [24, 38].
35
Capítulo 4
Potencial energético
4.1 Tipos de Residuos Agrícolas
Los residuos que se consideraron para el sector agrícola fueron escogidos teniendo en cuenta:
su disponibilidad en Colombia, su poder calorífico inferior y la producción total de estos
cultivos en el país. A continuación se realiza una breve descripción de los residuos
aprovechables para cada uno de los cultivos energéticos.
Palma Aceite
RAI: Residuos Agrícolas Industriales.
Cuesco: Es la estructura que protege el embrión, los poros germinales de la planta, y
la almendra. Y en él se encuentran los órganos que son importantes para la
germinación de la semilla.
Fibra: Filamento que entra en la composición de tejidos orgánicos, posee un aceite
residual que oscila entre el 5 y el 6% en base seca.
Raquis: Es el eje de la espiga de la palma.
Caña de Azúcar
RAC: Residuo Agrícola de Cosecha de la caña de azúcar.
Bagazo: Es el residuo fibroso que queda de la caña después de ser exprimida y de
pasar por el proceso de extracción, por lo general se utiliza como combustible.
Hojas de Cogollo: Hojas presentes en la parte más alta de la caña.
Caña Panelera
Bagazo: es el residuo fibroso de la caña una vez realizado el proceso de fabricación
de la panela, después de extraer el jugo azucarado por molinos o trapiches
RAC: Residuo Agrícola de Cosecha de la caña de panelera.
Hoja secas.
36
Café
Pulpa: se genera durante el despulpado del fruto y contiene, en base húmeda,
aproximadamente del 43% del peso del fruto fresco.
Cisco: también se le conoce como la cascarilla de café, es una cobertura cartilaginosa
de color blanco amarillento y corresponde al endocarpio (pergamino) del fruto.
Tallos: Órgano del café que se prolonga en sentido contrario a la raíz, sirve para
sostener las hojas, frutos y flores.
Maíz
Rastrojo: Es el residuo (tallos y hojas) que queda en el terreno al ser cortado el cultivo.
Tusa: Residuo del maíz después de desgranar las mazorcas.
Capacho: Mimbre que contiene en su interior la mazorca.
Hojas secas
Arroz
Tamo: Paja muy pequeña de varias semillas trilladas.
Cascarilla: Es un subproducto de la industria molinera del arroz.
Banano y Plátano
Raquis: Es el eje de la espiga de la planta.
Vástago: está formado por una yema central cubierta por hojas que la envuelven.
Cada vástago puede contener unas 20 hojas.
Rechazo: Son aquellos que rechazan las plantas empacadoras en las zonas bananeras.
En la tabla 4.1 se puede observar de una manera más detallada el tipo de residuo de cada
cultivo, al mismo tiempo se relaciona el origen dependiendo, si son Residuos Agrícolas
Industriales (RAI) o Residuos Agrícolas de Cosecha (RAC).
37
CULTIVO TIPO DE RESIDUO ORIGEN DEL RESIDUO
Palma de Aceite
Cuesco
RAI Fibra
Raquis de palma
Caña de Azúcar Hojas - Cogollo RAC
Bagazo RAI
Caña Panelera Bagazo RAC
Hojas - Cogollo RAI
Café
Pulpa RAI
Cisco
Tallos RAC
Maíz
Rastrojo
RAC Tusa
Capacho
Arroz Tamo RAC
Cascarilla RAI
Banano
Raquis de banano RAC
Vástago de banano
Banano de rechazo RAI
Plátano
Raquis de plátano RAC
Vástago de plátano
Plátano de rechazo RAI
Tabla 4.1: Tipo de residuos de acuerdo al cultivo energético y su origen.
4.2 Sub-sectores Pecuarios
Sub-sector bovino por grupos etarios
Son las clasificaciones que se dan a una especie según la edad en que se encuentra. La
importancia de éstos radica en que para el cálculo del poder energético de los residuos
bovinos, éste está directamente relacionado al grupo etario, y no por el propósito de estos.
Lo anterior debido a que la producción de estiércol es fácilmente aproximable por el tamaño
promedio de los animales, que está estrechamente ligada al grupo etario donde se encuentra
cada animal.
Sub-sector porcino por categorías
Para la estimación del poder energético en el sector porcino, es recomendable realizar el
cálculo de acuerdo a la categoría en la que se encuentren, ya que, según la categoría hay
cambios en la tasa de estiércol por cabeza al día, siendo más importante que el peso de los
cerdos o su grupo etario [36]. Las categorías existentes en el sub-grupo porcino son:
Lechón lactante: Se le conoce a los cerdos recién nacidos hasta que se destetan, esto
ocurre aproximadamente en el día 21 de vida.
38
Precebos: El lechón al tener 21 días de vida, inicia una fase en la cual debe alcanzar
los 32 kilogramos de peso, es decir cuando su aparato digestivo ya está desarrollado.
La fase finaliza cuando llegan a los 70 días de vida.
Levante: Esta fase está comprendida entre el día 70 o los 32 kg de peso, hasta el día
112 de vida de los cerdos alcanzando un peso promedio de 65 kg en lotes
conformados por machos y hembras.
Reproductor: El macho puede iniciar sus funciones como reproductor entre los seis u
ocho meses de edad y máximo hasta los tres años de edad. Debe llevar una dieta para
evitar que engorde demasiado, ya que esto deteriora su fecundidad.
Hembra lactante: Durante esta etapa de lactancia se debe lograr que las cerdas tengan
una alta producción láctea para destetar lechones de buen peso, cuidando que las
hembras no pierdan su estado corporal, que entren en celo rápidamente después del
destete y que este sea un celo fértil y que se puedan obtener muchos lechones en el
siguiente parto.
Hembra gestante: La alimentación de la cerda gestante, debe ser balanceada para
lograr suplir todos los requerimientos de nutrientes durante la gestación, y así
optimizar los rendimientos productivos. Esta etapa dura aproximadamente 113 días.
SUB-SECTOR TASA DE PRODUCCIÓN DE
ESTIÉRCOL [KG/CABEZA*AÑO]
Bovino
Terneros < 12 meses 1.460
Entre 12 y 24 meses 3.285
Entre 24 y 36 meses 5.110
> 36 meses 6.570
Porcino
Lechón lactante 102,20
Precebos 445,30
Levante 799,35
Reproductor 2.051,30
Hembra lactante 2.693,70
Hembra gestante 1.971,00
Tabla 4.2: Tasa de producción de estiércol según grupos etarios bovinos y categorías porcinas.
Sub-sector avícola
Dependiendo el propósito de las aves, estas tienen una dieta específica ocasionando que sus
residuos tengan contenidos de humedad diferentes. Debido a su producción de biogás por m3
y a los sólidos volátiles presentes en estos desechos, no suelen implementarse en digestión
anaeróbica, por lo cual se considera como factor principal el poder calorífico inferior para
estimar el poder energético presente en sus residuos.
39
SUB-SECTOR
TASA DE PRODUCCIÓN
DE ESTIÉRCOL
[KG/CABEZA*AÑO]
PCI (KCAL/KG)
Avícola
Engorde 25,55 3.645
Ponedoras 38,33 2.248
Tabla 4.3: Tasa de producción de estiércol por sub-sector avícola.
4.3 Contenido Energético
Especifica la cantidad de energía que puede contener un material, es decir, el calor que puede
generar la utilización de un combustible, se denomina potencia calorífica al calor por unidad
de masa [19]. Destacando el contenido energético de los combustibles se suele dar esta
clasificación:
Energía primaria: indica la cantidad de energía contenida en un material en su forma
natural.
Energía entregada: Es la cantidad de energía liberada por un combustible para su
consumo.
Energía útil: Es la cantidad de energía empleada en los usos finales descontando las
pérdidas, la energía útil representa la cantidad de trabajo o calor que realmente fue
útil en una determinada actividad.
Intensidad Energética: indica la cantidad de energía utilizada en un uso final
específico por unidad de PIB. En términos globales la intensidad energética es el valor
medio de la energía necesaria para generar una unidad de riqueza.
En los combustibles, el contenido energético depende del poder calórico, y suele usarse para
cuantificar la energía que poseen dos tipos de unidades: las unidades absolutas, donde no
tienen en cuenta la masa, y las unidades relativas que es la energía consumida o producida
en un tiempo específico o por la cantidad de masa [28].
40
Capítulo 5
Modelamiento matemático
Para poder estimar el poder energético de la biomasa según su tipo de sector (agrícola o
pecuario), es necesario plantear un modelamiento matemático aproximado, teniendo en
cuenta las variables más significativas que intervienen en él, detallando como se relacionan
dichas variables y cuál es el comportamiento de cada una de ellas, ajustando a su vez las
unidades necesarias para la estimación del poder energético de la biomasa.
El fracaso o éxito del modelo matemático depende directamente de la precisión con la que se
construya la representación numérica, la veracidad con la que se establezcan los hechos y
situaciones en forma de variables relacionadas entre sí [39].
5.1 Potencial energético
El potencial energético de la biomasa se obtiene a partir de la relación que existe entre la
masa de residuo seco (Mrs) y la energía del residuo por unidad de masa (E) también conocida
como Poder Calorífico Inferior (PCI). En la ecuación 5.1 se expresa la relación existente
entre las variables y se plantea un modelo matemático aproximado [14].
𝑃𝐸 = (𝑀𝑟𝑠) ∗ (𝐸) (5.1)
Dónde:
𝑃𝐸: Potencial energético [Tj/año]
𝑀𝑟𝑠: Masa de residuo seco [t/año]
𝐸/𝑃𝐶𝐼: Energía del residuo por unidad de masa [Tj/t]
La ecuación 5.1 es la ecuación general para el cálculo del potencial energético de la biomasa.
41
5.2 Modelo matemático para la estimación del potencial energético de la
biomasa residual en el sector agrícola.
Para estimar el potencial energético de la biomasa residual agrícola (PEBRA) se debe plantear
un modelo matemático, teniendo en cuenta que la extracción de la energía de los residuos
agrícolas se realiza por medio de procesos termoquímicos [24, 40-41]. Esto implica que se debe
considerar las hectáreas correspondientes al área cultivada (A), las toneladas de producto
principal que ofrece cada hectárea sembrada (Rc), las toneladas de residuo obtenidas de la
producción principal (Fr) y de esas toneladas de residuos “húmedos” a cuantas toneladas de
residuo seco equivalen (Yrs).
En la ecuación 5.2 se observa la relación existente entre las variables más relevantes para la
estimación de la masa de residuo seco (Mrs), teniendo en cuenta que para estimar el potencial
energético de la biomasa agrícola es importante que los residuos contengan el menor
porcentaje de humedad posible, y de esta manera obtener el mayor potencial energético
posible de cada residuo [3].
𝑀𝑟𝑠 = 𝐴 ∗ 𝑅𝑐 ∗ 𝐹𝑟 ∗ 𝑌𝑟𝑠 (5.2)
Dónde:
𝑀𝑟𝑠: Masa de residuo seco [t/año]
𝐴: Área cultivada [ha/año]
𝑅𝑐: Rendimiento del cultivo [t producto principal / ha sembrada]
𝐹𝑟: Factor de residuo del cultivo [t de residuo/ t de producto principal]
𝑌𝑟𝑠: Fracción de residuo seco [t residuo seco/ t de residuo húmedo]
Para obtener la masa total de residuo seco en un cultivo energético es posible hacer uso de la
ecuación 5.3, la cual realiza una sumatoria donde se relaciona el factor del residuo del cultivo
(Fr) y las toneladas de residuo seco aprovechables de la producción principal (Yrs). El
subíndice k en la sumatoria varía dependiendo de la clasificación de la biomasa ya sea RAC
o RAI. El subíndice i en la sumatoria referencia los tipos de biomasa residual agrícola de
acuerdo a su clasificación.
𝑀𝑟𝑠 = 𝐴 ∗ 𝑅𝑐 ∗ ∑ ∑ 𝐹𝑟𝑘𝑖 ∗ 𝑌𝑟𝑠𝑘𝑖
𝑚
𝑘=1
𝑛
𝑖=1
(5.3)
Por ejemplo, para el cultivo de café los tipos de biomasa asociados son:
Residuos agrícolas de cosecha (RAC):
- Tallos
Residuos agroindustriales (RAI):
- Pulpa
- Cisco
42
Para obtener el potencial energético de la biomasa residual agrícola total de un cultivo se
utiliza la ecuación 5.4, donde se relacionan las ecuaciones 5.3 y 5.1, correspondientes a la
masa de residuo seco y al poder energético total de la biomasa residual agrícola
respectivamente. Después de obtener la masa del residuo seca de la biomasa agrícola, el
potencial energético general de la biomasa residual agrícola (PEBRA), conformada por los
diferentes cultivos de estudio.
𝑃𝐸𝐵𝑅𝐴 = 𝐴 ∗ 𝑅𝑐 ∗ ∑ ∑ 𝐹𝑟𝑘𝑖 ∗ 𝑌𝑟𝑠𝑘𝑖 ∗ 𝑃𝐶𝐼𝑘𝑖
𝑚
𝑘=1
𝑛
𝑖=1
(5.4)
Dónde:
PCI: Poder Calorífico Inferior del residuo [TJ/t]
La tabla 5.1 muestra las constantes correspondientes al factor de residuo y la fracción de
residuo seco.
CULTIVO TIPO DE RESIDUO
ORIGEN
DEL
RESIDUO
FACTOR DE
RESIDUO
[t RESIDUOS/t PRODUCTO
PRINCIPAL]
FRACCIÓN DE
RESIDUO SECO
[t RESIDUO SECO/ t DE
RESIDUO HÚMEDO]
Palma de
Aceite
Cuesco
RAI
0.217 0,832
Fibra 0.627 0,694
Raquis de palma 1.060 0,424
Caña de
Azúcar
Hojas - Cogollo RAC 3.260 0,291
Bagazo RAI 2.680 0,588
Caña
Panelera
Bagazo RAC 2.530 0,874
Hojas - Cogollo RAI 3.750 0,197
Café
Pulpa RAI
2.131 0,201
Cisco 0.205 0,93
Tallos RAC 3.024 0,737
Maíz
Rastrojo
RAC
0.934 0,641
Tusa 0.270 0,735
Capacho 0.211 0,953
Arroz Tamo RAC 2.350 0,276
Cascarilla RAI 0.200 0,968
Banano
Raquis de banano RAC
1.000 0,056
Vástago de banano 5.000 0,066
Banano de rechazo RAI 0.1500 0,168
Plátano
Raquis de plátano RAC
1.000 0,056
Vástago de plátano 5.000 0,066
Plátano de rechazo RAI 0.150 0,168
Tabla 5.1: Factor y fracción de residuo de acuerdo al tipo de residuo de cada cultivo.
43
5.3 Modelo matemático para la estimación del potencial energético de la
biomasa residual en el sector pecuario.
Para estimar el potencial energético de la biomasa residual pecuaria (PEBRP), es importante
tener en cuenta que estos residuos presentan un alto contenido de humedad [42], a su vez
presentan en su composición química componentes aprovechables como el metano y la
presencia de sólidos volátiles. Por esto, los procesos bioquímicos son una mejor herramienta
para el aprovechamiento del poder energético que por medio de procesos termoquímicos [13].
La alternativa principalmente utilizada para el aprovechamiento de la energía producible del
estiércol de los porcinos y bovinos se encuentra orientada hacia el proceso bioquímico
conocido como digestión anaerobia, mientras que para el estiércol de aves, cuyo contenido
de humedad es menor del 60% [43], es posible aplicar procesos termoquímicos para la
extracción del potencial energético de este sector.
5.4 Modelo matemático para el potencial energético en función del proceso
de digestión anaerobia.
Para estimar el potencial energético de la biomasa residual de los sectores bovino y porcino
se aplica un modelo matemático de acuerdo al proceso de conversión bioquímico,
específicamente el proceso de digestión anaeróbica, esto en función de la cantidad total de
animales que producen estiércol con altos contenidos de humedad y de solidos volátiles.
Según el contenido de carbono presente en el residuo es posible producir metano [21].
La ecuación 5.5 formula el modelo matemático aproximado para el potencial energético de
la biomasa residual pecuaria [14], teniendo en cuenta el número total de cabezas (NA), la
producción de excremento por cabeza al año (MS), los sólidos volátiles presentes en la
materia seca, la producción de biogás que es generado por los sólidos volátiles y el poder
calorífico inferior del metano (PCICH4).
𝑃𝐸𝐵𝑅𝑃 = ∑ 𝑁𝐴𝑖 ∗ 𝑀𝑆𝑖 ∗ 𝑆𝑉 ∗ 𝐵𝑜𝑖 ∗ 𝑃𝐶𝐼𝐶𝐻4
𝑛
𝑖=1
(5.5)
Dónde:
𝑃𝐸𝐵𝑅𝑃: Potencial energético biomasa residual pecuaria (TJ/año)
NA: Número de animales [cabezas]
MS: Materia seca [Kg MS/cabeza-año]
SV: Sólidos volátiles [Kg sv/kg materia seca]
Bo: Producción de biogás [𝑚3/Kg SV]
𝑃𝐶𝐼𝐶𝐻4: Poder calorífico inferior del metano [TJ/𝑚3]
El subíndice i hace referencia al grupo etario en cada sub-sector.
Los sólidos Volátiles (SV) son aquella porción de sólidos totales que se libera de una muestra,
volatilizándose cuando se calienta durante dos horas a 600ºC. Los SV contienen
44
componentes orgánicos, los que teóricamente deben ser convertidos en metano; la tasa de
carga de SV es la aproximación más utilizada para dimensionar el digestor anaeróbico. Una
tasa de carga de SV típica para una digestión mesofílica es de 1.6 – 4.8 kg/m3-día [27].
Debido a que los sólidos volátiles presentes en los excrementos se dan en un rango de valores,
en la tabla 5.2 se relacionan los SV y la producción de biogás en una sola constante, ya que,
al estar determinados en un rango de valores se debe tomar un valor medio aproximado para
realizar los cálculos del poder energético de la biomasa residual del sector pecuario.
SUB-SECTOR TASA DE PRODUCCIÓN DE
ESTIÉRCOL [KG/CABEZA*AÑO]
SV *BO (SÓLIDOS
VOLTATILES Y BIOGAS)
[M3/ KG MASA SECA]
Bovino
Terneros < 12 meses 1.460 0,00011867
Entre 12 y 24 meses 3.285 6,22E-05
Entre 24 y 36 meses 5.110 7,95E-05
> 36 meses 6.570 7,54E-05
Porcino
Lechón lactante 102,20 0,02044
Precebos 445,30 0,02429
Levante 799,35 0,00933
Reproductor 2.051,30 0,0104
Hembra lactante 2.693,70 0,07067
Hembra gestante 1.971,00 0,02368
Tabla 5.2: Relación sólidos volátiles y producción de biogás presentes en los sectores bovino y
porcino.
5.5 Modelo matemático para la estimación del potencial energético de la biomasa residual
en el sector avícola.
Para estimar el potencial energético de la biomasa residual del sector avícola se utilizan
procesos termoquímicos debido al contenido de humedad del excremento. En la ecuación 5.6
se expone el modelo matemático aproximado para el cálculo del poder energético de la
biomasa residual avícola [14]. Para esto se debe considerar el número de animales (NA), los
kilogramos de materia seca por cabeza al año (MS) y el poder calorífico inferior de cada
residuo (PCI).
𝑃𝐸𝐵𝑅𝑃 = 𝑁𝐴 ∗ 𝑀𝑆 ∗ 𝑃𝐶𝐼 (5.6)
Dónde:
𝑃𝐸𝐵𝑅𝑃: Potencial energético [TJ/ año]
𝑁𝐴: Número de animales [cabezas]
MS: Materia seca [kg/ cabezas-año]
PCI: Poder calorífico inferior [TJ/kg Masa seca]
45
Dependiendo de la humedad relativa presente en los residuos de las aves ponedoras, puede
considerarse la implementación de procesos bioquímicos para la extracción de la energía
como la digestión anaeróbica, y será posible su implementación dependiendo directamente
de la dieta que lleven las aves ponedoras y que su humedad relativa sea mayor al 60%.
El modelo termoquímico se aplica para el cálculo del potencial energético de las aves de
engorde en la mayoría de los casos, ya que éstas producen estiércol con menor contenido de
humedad.
SUB-SECTOR
TASA DE PRODUCCIÓN
DE ESTIÉRCOL
[KG/CABEZA*AÑO]
PCI [KCAL/KG] PCI [TJ/KG
MASA SECA]
Avícola
Engorde 25,55 3.645 1,5258E-05
Ponedoras 38,33 2.248 9,4101E-06
Tabla 5.3: Poder calorífico inferior del sector avícola.
46
Capítulo 6
Recolección e interpretación de la
información
Para iniciar la recolección de la información necesaria se debe lograr conocer la localización
de cada uno de los tipos de biomasa (agrícola y pecuaria), se debe comenzar una tarea de
acercamiento y reconocimiento a las entidades, agremiaciones y empresas relacionadas con
el tratamiento y procesamiento de cada uno de los residuos. En muchas ocasiones las
empresas no suelen tener registros de estos residuos, por lo que es necesario lograr que las
entidades aprecien la importancia y necesidad de cuantificar y llevar registro de todos sus
residuos periódicamente.
En el caso del sector agrícola, la información se puede obtener en censo agropecuario
realizado por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE) [44] en el año
2014, Instituto Colombiano Agropecuario (ICA) [45] y el anuario estadístico agropecuario
del ministerio de agricultura en el año 2006, Sociedad de Agricultores de Colombia (SAC),
Dirección Nacional de Planeación (DNP), la gobernación del departamento, los gremios de
desarrollo y centros de desarrollo de cada cultivo (Cenicaña, Cenipalma, Cenicafe,
Fedearroz, entre otros).
Para el sector pecuario existen fuentes de información que ofrecen los datos necesarios para
la aplicación de los modelos matemáticos. Entre ellos se encuentra el Instituto Colombiano
Agropecuario para el sector bovino y avícola, y la Asociación Colombia de Porcicultores
para el sector porcino, el cual ofrece las cantidades de estiércol generado por cada cabeza al
año según su categoría.
Una vez se logre obtener la información necesaria de las fuentes ya mencionadas se puede
crear bases de datos para cada sector. Con el fin de llegar a calcular los potenciales
energéticos de cada grupo de biomasa residual.
Es importante para la clasificación y previa utilización de cada uno de los tipos de biomasa
residual, tener claro aspectos como el transporte, manejo, recolección y composición, con el
47
fin de asegurar que se hace la conversión usando procesos óptimos para lograr un mayor
impacto ambiental positivo y económico-benéfico para todos los actores que intervienen en
el proceso de generación de energía eléctrica.
De este modo, se pueden dar características físicas a los diferentes residuos según su origen
de producción; en los residuos especialmente en vegetales, donde poseen bajos niveles de
humedad, suele implementarse, procesos termoquímicos y combustión directa para la
extracción de energía. En los pecuarios, ya que tienden a producir altos niveles de gas con
contenido de metano, se usan bio-procesos para su tratamiento y previa extracción de energía.
En la tabla 6.1 se observar la clasificación de las variables más importante a considerar
cuando se inicia la recolección de la información para cada sector [14].
SECTOR VARIABLE
INFORMATIVA
VARIABLE
TEMPORAL
VARIABLE
ESPACIAL
TIPO DE
CONSULTAS
Agrícola
Zonas Atemporal regiones Especie
Localización [ha/año] Anual municipal,
departamental global y especie
Cantidad [t/año] mensual, anual municipal,
departamental global y especie
Potencial Energético
[TJ/año] mensual, anual
municipal,
departamental global y especie
Rendimiento neto de
energía [TJ/ha/año] Anual
municipal,
departamental global y especie
Pecuario
Zonas Atemporal regiones Subsector
Población [miles de
cabeza/año] Anual
municipal,
departamental Subsector
Cantidad [miles de
t/año] Anual
municipal,
departamental subsector y global
Potencial Energético
[TJ/año] Anual
municipal,
departamental subsector y global
Tabla 6.1: Variables sector agrícola y pecuario según el tipo de consulta.
6.1 Interpretación de la información (DANE)
El Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE) realiza periódicamente
censos agropecuarios. En estos reúne información de cada departamento de Colombia donde
se encuentran datos de los sectores agrícola, pecuario y forestal.
La constante de Coeficiente de variación estimado (Cve) corresponde al error muestral, el
cual mide la magnitud de la incertidumbre de la distribución muestral del estimador, es decir,
es el indicador del grado de aproximación con que se estiman las características de la medida.
En la tabla 6.2 se muestran los datos obtenidos por el DANE en el censo agropecuario del
año 2014 para el sector agrícola. Se observan diferentes datos que son importantes para
aplicar los modelos matemáticos del potencial energético de la biomasa residual agrícola.
48
PLANTACIÓN
ÁREA
PLANTADA
(Ha)
ÁREA EN EDAD
PRODUCTIVA
(Ha)
PRODUCCIÓN
(t)
RENDIMIENTO
(t/Ha)
Hectáreas Cve Hectáreas Cve Toneladas Cve t/ha Cve
Banano 4.190 46,8 3.344 52,1 28.080 63,6 8,4 25,0
Cacao 4.484 30,7 4.019 33,3 2.091 35,6 0,5 16,2
Café 23.382 15,3 20.341 16,9 28.474 22,6 1,4 16,0
Caña Panelera 19.360 18,2 18.910 18,4 231.584 24,9 12,2 14,6
Mango 5.794 89,1 5.783 89,1 63.122 59,6 10,9 12,6
Naranja 491 56,6 464 59,3 1.769 60,1 3,8 18,0
Plátano 5.002 18,5 4.685 19,0 23.372 21,3 5,0 14,9
Aguacate 483 49,6 282 65,0 2.293 66,4 8,1 6,5
Curuba 169 66,4 67 48,6 351 56,0 5,3 30,9
Granadilla 723 38,4 438 52,7 4.971 46,9 11,3 21,1
Limón 720 75,0 581 70,9 6.196 69,2 10,7 14,0
Lulo 438 45,8 256 38,5 4.464 44,3 17,4 18,0
Mandarina 68 68,2 66 69,4 340 73,0 5,1 22,9
Maracuyá 89 68,5 88 69,3 1.687 83,5 19,1 43,3
Mora 1.858 44,8 1.764 46,9 18.060 41,0 10,2 44,2
Tomate de Árbol 1.635 32,4 1.170 41,2 21.617 57,5 18,5 26,8
Tabla 6.2: Datos de acuerdo a la plantación - sector agrícola.
En las tablas 6.3 y 6.4 se observan los datos obtenidos por el DANE en el censo agropecuario
del año 2014 para el sector bovino, los cuales para este caso se clasifican según sus grupos
etarios. Los datos obtenidos del DANE están divididos por hembras y machos; para el uso
de cabezas por grupo etario se deben sumar los totales de hembras y machos de cada grupo.
SECTOR BOVINO HEMBRAS
Menores de
12 meses
De 12 a 17
meses
De 18 a 23
meses
De 24 a 36
meses
Mayores de
36 meses
Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve
113.334 12,5 79.116 8,9 132.652 12,7 186.322 7,7 300.865 9,4
Tabla 6.3: Datos hembras sector bovino por grupos etarios.
SECTOR BOVINO MACHOS
Menores de
12 meses
De 12 a 23
meses
De 24 a 36
meses
Mayores de
36 meses
Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve
105.230 8,7 203.112 13,2 141.138 18,8 42.365 26,2
Tabla 6.4: Datos machos sector bovino por grupos etarios.
En la tabla 6.5 se observan los valores totales a utilizar en el modelo matemático del potencial
energético de la biomasa residual del sector bovino de acuerdo a los grupos etarios
propuestos.
49
TOTAL SECTOR BOVINO
Menores de
12 meses
De 12 a 23
meses
De 24 a 36
meses
Mayores de 36
meses
Cabezas Cabezas Cabezas Cabezas
218.564 414.880 327.460 343.230
Tabla 6.5: Datos totales sector bovino por grupos etarios.
En la tabla 6.6 se observan los datos obtenidos por el DANE en el censo agropecuario del
año 2014 para el sector porcino (hembras), que para este caso se clasifican según su categoría.
Los datos obtenidos del DANE están divididos por hembras y machos; para este caso no es
necesario agrupar los valores entre hembras y machos, ya que para el sector porcino se tiene
prioridad en las categorías de los cerdos sobre su género. En el caso de las cerdas hembras,
la categoría de cerdas vacías no se tiene en cuenta debido a la dieta que tienen en ese estado.
CATEGORÍA DE CERDAS HEMBRAS
Total hembras Cerdas de
reemplazo
Cerdas en
lactancia
Cerdas en
gestación Cerdas vacías
Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve
12.675 27,5 1.612 33,8 669 30,1 1.811 26,2 8.582 38,9
Tabla 6.6: Datos hembras sector porcino por categorías.
En la tabla 6.7 se observan los datos obtenidos por el DANE en el censo agropecuario del
año 2014 para el sector porcino (machos). En este caso la categoría de cerdos en ceba no se
tiene en consideración para ser utilizado en el modelo matemático del potencial energético
de la biomasa residual porcina, debido a que el propósito de esta categoría es normalmente
utilizada para el autoconsumo o venta.
CATEGORÍA DE CERDOS MACHOS
Total
machos
Machos
reproductores en
servicio
Machos
reproductores
para reemplazo
Lechones
lactantes
Lechones en
precebo
Cerdos en
levante
Cerdos en
ceba
Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve Cabezas Cve
17.879 21,1 3.981 72,4 45 73,9 2.381 34,2 1.983 34,4 4.998 25,4 4.490 31,9
Tabla 6.7: Datos machos sector porcino por categorías.
En la tabla 6.8 se observan los datos obtenidos por el DANE en el censo agropecuario del
año 2014 para el sector avícola aves de traspatio (engorde). Para aplicar el modelo
matemático del potencial energético de la biomasa residual avícola solo se tiene en cuenta la
cantidad total de pollos, debido a que la industria se ha tecnificado para el engorde de pollos
y no se han enfocado en los demás tipos de aves de traspatio.
AVES DE TRASPATIO
Gansos Patos Codornices Piscos Gallos Pollos
Aves Cve Aves Cve Aves Cve Aves Cve Aves Cve Aves Cve
50
4.628 20,0 16.027 21,5 414 95,4 8.635 29,0 64.217 9,6 238.374 9,6
Tabla 6.8: Datos aves de traspatio – sector avícola.
En la tabla 6.9 se observan los datos obtenidos por el DANE en el censo agropecuario del
año 2014 para el sector avícola aves ponedoras. Para aplicar el modelo matemático del
potencial energético de la biomasa residual avícola solo se tiene en cuenta la cantidad de
gallinas que pusieron huevos.
AVES PONEDORAS
Gallinas que pusieron
huevos Auto consumo Venta
Total huevos
traspatio
Aves Cve Huevos Cve Huevos Cve Huevos Cve
284.932 11,6 804.971 10,8 237.122 45,5 1.042.093 17,6
Tabla 6.9: Datos aves ponedoras – sector avícola.
6.2 Metodología MESMIS
La metodología Marco de Evaluación de Sistemas de Manejo incorporando Indicadores de
Sostenibilidad conocida como MESMIS, aporta un carácter flexible, sistémico, participativo
e interdisciplinar, a las evaluaciones de sostenibilidad, para evaluar sistemas de producción
agroecológicos por medio de indicadores de sostenibilidad en el departamento de
Cundinamarca. Esta metodología identifica tres fases, para este trabajo son relevantes las dos
primeras fases, la tercera no se tiene en cuenta debido a que tiene que haber sido
implementada la metodología para lograr evaluar completamente el desarrollo de ésta [46].
Finca ecológica
En las zonas rurales se está incentivando que las personas que posean fincas las acondicionen
en un lugar verde y autosostenible, con el fin de utilizar energías alternativas (solar, eólica)
y aprovechando las aguas lluvia.
Para realizar el cambio de una finca común a una finca ecológica es difícil, como primer paso
se debe pensar en el bien colectivo, después tener conciencia del cuidado de la tierra y
finalmente los excedentes de la producción agropecuaria deben ser aprovechados en su
totalidad [18].
La implementación de las fincas ecológicas además de fomentar el desarrollo rural, facilita
el manejo de los residuos y el control y uso de estos, además pueden ser aprovechables para
la generación de energía o como fertilizantes.
51
Fases metodología MESMIS
1. Primera fase: Caracterización de sistemas agroecológicos
Se debe realizar la consulta de información relativa a las fincas ecológicas certificadas, tanto
en fuentes secundarias como primarias, estableciendo contactos con: Ministerio de
Agricultura y Desarrollo Rural, organismos de certificación (Corporación Colombia
Internacional y ECOCERT), agricultores ecológicos y tiendas orgánicas, con el fin de obtener
los listados de productores, ubicación, productos ecológicos y datos de contacto [46].
A partir de la información obtenida, con ayuda del software Arc GIS®, se puede desarrollar
un Sistema de Información Geográfica (SIG), en el cual se agrupen las fincas ecológicas
identificadas por grupos de homogeneidad (piso térmico, relieve y suelos). La recolección de
información se puede llevar a cabo realizando encuestas a las personas que poseen fincas
ecológicas, se deben fijar puntos de georreferenciación con un GPS y la ubicaron en el SIG,
este trabajo se realiza con el fin de obtener información primaria relativa a la estructura
(subsistemas productivos) y función (producción destinada al mercado – seguridad
alimentaria) de las fincas en sus componentes físicos, bióticos, sociales, económicos y
tecnológicos.
Al realizar la encuestas se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: información general
de los productores y su localización, área sembrada, composición de los sistemas productivos
en subsistemas (agrícola, pecuario y forestal), productos y variedades en cada subsistema,
prácticas y tecnologías utilizadas, aspectos socioeconómicos (tenencia de la tierra, acceso a
créditos, nivel educativo, asociaciones o productores individuales, relaciones entre
inversiones y utilidades) y limitantes a nivel físico – biótico, socioeconómico y tecnológico.
2. Segunda Fase: Tipificación y selección de fincas con base en indicadores
ambientales.
En el momento en que se cuente con toda la información relativa a la estructura y función de
las fincas agroecológicas, se deben escoger las variables que describen y contrastan la
diferencia entre los sistemas productivos, mediante clasificación multidimensional
organizando las variables de manera jerárquica: físico bióticos (tipos productivos, piso
térmico y tipos de suelo); tecnológicas y socioeconómicas [46].
Se debe utilizar el método de clasificación multivariado del vecino más cercano,
estableciendo comparaciones de acuerdo a la naturaleza de las variables:
General: comparando todas las observaciones, incluyendo todas las variables.
Variables físico bióticas.
Variables tecnológicas y socioeconómicas.
52
3. Tercera Fase: Evaluación de sostenibilidad de los sistemas PAE
Teniendo en cuenta los antecedentes de investigaciones realizadas en el tema de interés y el
análisis de puntos limitantes encontrados en los sistemas agroecológicos, se debe realizar
reuniones para identificar y seleccionar los indicadores necesarios para la evaluación de la
sostenibilidad, incluyendo criterios como: calidad de suelo, salud del cultivo, relación costo
– beneficio y complejidad de tecnologías. Estos criterios para ser evaluados deben ser
aplicados a muestras representativas de fincas ecológicas. Para realizar la evaluación se
deben plantear indicadores, cada indicador se debe estimar asignando un valor en escala de
1 – 10, siendo 1 el valor menor deseable, 5 el umbral y 10 el valor óptimo [46].
53
Capítulo 7
Caso de estudio
La mayor parte dentro del territorio de Cundinamarca se encuentra ubicada en las zonas
rurales, que equivalen aproximadamente al 99,2% de la superficie total del departamento [47].
Cundinamarca cuenta con el privilegio de una gran reserva de tierra, donde su principal
actividad se encuentra enmarcada en la producción agropecuaria.
A nivel nacional, se estima que el 17% de la población esta dedica el sector agropecuario,
según el DANE. Puntualmente, de la totalidad de la población que habita zonas rurales el
64% se dedica a estas actividades en los últimos años de registro [47]. La actividad agrícola
se ha subdividido en: cultivos transitorios, permanentes y anuales. La actividad pecuaria en
los subsectores: bovinos, porcicultura y avicultura.
Para aplicar la metodología es indispensable conocer los factores principales, permitiendo
estructurar de manera adecuada los pasos para el uso de la biomasa como fuente de energía
en el departamento de Cundinamarca. Los datos fueron tomados del censo agropecuario 2014
publicado en el DANE y el ICA [44-45].
7.1 Sector agrícola
Para dar inicio al caso de estudio del sector agrícola se debe partir de la ecuación 5.1, como
se explicó en el capítulo 5, la cual permite calcular el poder energético de la biomasa residual.
El potencial energético de la biomasa se puede estimar a partir de la relación entre masa de
residuo seco y la energía del residuo seco. La variable correspondiente a la masa de residuo
seco se puede calcular mediante la ecuación 5.2, expresada en el capítulo 5, esta ecuación
relaciona el área cultivada, el rendimiento del cultivo, el factor de residuo y la fracción de
residuo seco.
Para la variable Yrs, se fijaron valores constantes de acuerdo a investigaciones sobre toneladas
de residuo seco por tonelada de residuo húmedo, las cuales se encuentran en la tabla 7.1 [14].
54
SECTOR FUENTE DE
BIOMASA
TIPO
RESIDUO
PCI
[KCAL/KG] PCI [TJ/t] YRS
Agrícola
Palma de aceite
Cuesco 3.988 0,0166938 0,8325
Fibra 4.273 0,0178868 0,6947
Raquis 4.021 0,0168319 0,4246
Caña para
panela
Bagazo 4.456 0,0186528 0,8749
Hojas secas 4.007 0,0167733 0,1975
Café
Pulpa 4.259 0,0178282 0,2013
Cisco 4.430 0,018544 0,9305
Tallos 4.384 0,0183514 0,7373
Maíz
Rastrojo 3.429 0,0143538 0,6417
Tusa 3.390 0,0141905 0,7354
Capacho 3.815 0,0159696 0,9531
Arroz Tamo 3.113 0,013031 0,2767
Cascarilla 3.603 0,0150822 0,9684
Banano
Raquis 1.809 0,0075725 0,0567
Vástago 2.032 0,008506 0,0663
Rechazo 2.488 0,0104148 0,1686
Plátano
Raquis 1.808 0,0075683 0,0566
Vástago 2.032 0,008506 0,0661
Rechazo 2.488 0,0104148 0,1683
Tabla 7.1: características principales residuos sector agrario Cundinamarca.
Se puede utilizar la ecuación 5.3 para calcular la masa de residuo seco total, la cual realiza
una sumatoria de los diferentes residuos que genera el cultivo, explicada en el capítulo 5. Y
para calcular el potencial energético total presente en un cultivo, se puede utilizar la ecuación
5.4, también explicada en el capítulo 5.
Cálculo poder energético biomasa residual agrícola
a. Palma de aceite
𝑀𝑟𝑠 𝐶𝑢𝑒𝑠𝑐𝑜 = 4809,00𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 16,50
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 0,217
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,8325
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐶𝑢𝑒𝑠𝑐𝑜 = 14334𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝐶𝑢𝑒𝑠𝑐𝑜 = 14334,5049𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01669
𝑇𝐽
𝑡= 239
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 = 4809,00𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 16,50
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 0,627
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,6947
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 = 34562𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 = 34562,3736𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01788
𝑇𝐽
𝑡= 618
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
55
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 4809,00𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 16,50
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 1,060
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,4246
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 35712𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 35712,8554𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01683
𝑇𝐽
𝑡= 601,04
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑃𝑎𝑙𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = 1458𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
b. Caña panelera
𝑀𝑟𝑠 𝐵𝑎𝑔𝑎𝑧𝑜 = 18910,00𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 12.20
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 2,53
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗
0,8749𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐵𝑎𝑔𝑎𝑧𝑜 = 510658𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 510658,1849𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01865
𝑇𝐽
𝑡= 9488, 57
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐻𝑜𝑗𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑠 = 18910,00𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 12.20
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 3,75
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗
0,1975𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐻𝑜𝑗𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑠 = 170863𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝐻𝑜𝑗𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑠 = 170863,6688𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01677
𝑇𝐽
𝑡= 2855,30
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝐶𝑎ñ𝑎 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎 = 12343𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
c. Café
𝑀𝑟𝑠 𝑃𝑢𝑙𝑝𝑎 = 20341𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 1,4
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 2,131
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,2013
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑃𝑢𝑙𝑝𝑎 = 12216𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑃𝑢𝑙𝑝𝑎 = 12215,9588𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01782
𝑇𝐽
𝑡= 218
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐶𝑖𝑠𝑐𝑜 = 20341𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 1,4
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 0,205
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,9305
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐶𝑖𝑠𝑐𝑜 = 5432𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝐶𝑖𝑠𝑐𝑜 = 5432,1352𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01854
𝑇𝐽
𝑡= 101
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
56
𝑀𝑟𝑠 𝑇𝑎𝑙𝑙𝑜𝑠 = 20341𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 1,4
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 3,024
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,7373
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑇𝑎𝑙𝑙𝑜𝑠 = 63493𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑇𝑎𝑙𝑙𝑜𝑠 = 63493,0743𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01835
𝑇𝐽
𝑡= 1165,34
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐶𝑎𝑓é = 1484𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
d. Maíz
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑎𝑠𝑡𝑟𝑜𝑗𝑜 = 12330𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 2,8
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 0,934
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,6417
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑎𝑠𝑡𝑟𝑜𝑗𝑜 = 20692𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑅𝑎𝑠𝑡𝑟𝑜𝑗𝑜 = 20691,8834𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01435
𝑇𝐽
𝑡= 317,08
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑇𝑢𝑠𝑎 = 12330𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 2,8
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 0,270
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,7354
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑇𝑢𝑠𝑎 = 6855𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑇𝑢𝑠𝑎 = 6855,0163𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01419
𝑇𝐽
𝑡= 96,98
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐ℎ𝑜 = 12330𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 2,8
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 0,211
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,9531
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐ℎ𝑜 = 6943𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐ℎ𝑜 = 6942,9179𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01596
𝑇𝐽
𝑡= 110,55
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑀𝑎í𝑧 = 525𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
e. Arroz
𝑀𝑟𝑠 𝑇𝑎𝑚𝑜 = 2360𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 7,20
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 2,350
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,2767
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑇𝑎𝑚𝑜 = 11049𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑇𝑎𝑚𝑜 = 11048,9630𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01303
𝑇𝐽
𝑡= 142,76
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎 = 2360𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 7,20
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 0,2
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,9684
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎 = 3291𝑡
𝑎ñ𝑜
57
𝑃𝐸𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎 = 3291,0105𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,01508
𝑇𝐽
𝑡= 49,21
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧 = 192𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
f. Banano
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 3344𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 8,4
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 1
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,0567
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 1593𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 1592,6803𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,00757
𝑇𝐽
𝑡= 12,05
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑉á𝑠𝑡𝑎𝑔𝑜 = 3344𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 8,4
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 5
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,0663
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑉á𝑠𝑡𝑎𝑔𝑜 = 9312𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑉á𝑠𝑡𝑎𝑔𝑜 = 9311,7024𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,0085
𝑇𝐽
𝑡= 79,18
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑒𝑐ℎ𝑎𝑧𝑜 = 3344𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 8,4
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 0,150
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,1686
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑒𝑐ℎ𝑎𝑧𝑜 = 710𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑅𝑒𝑐ℎ𝑎𝑧𝑜 = 710,3859𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,0104
𝑇𝐽
𝑡= 7,4
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝐵𝑎𝑛𝑎𝑛𝑜 = 99𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
g. Plátano
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 4685𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 5
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 1
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,0566
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 1325𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠 = 1325,855𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,007568
𝑇𝐽
𝑡= 10,05
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑉á𝑠𝑡𝑎𝑔𝑜 = 4685𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 5
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 5
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,0661
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑉á𝑠𝑡𝑎𝑔𝑜 = 7742𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑉á𝑠𝑡𝑎𝑔𝑜 = 7741.9625𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,0085
𝑇𝐽
𝑡= 66,03
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑒𝑐ℎ𝑎𝑧𝑜 = 4685𝐻𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 5
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
𝐻𝑎𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎∗ 0,150
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
𝑡𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐.∗ 0,1683
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜
𝑀𝑟𝑠 𝑅𝑒𝑐ℎ𝑎𝑧𝑜 = 591𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑅𝑒𝑐ℎ𝑎𝑧𝑜 = 591.3641𝑡
𝑎ñ𝑜∗ 0,0104
𝑇𝐽
𝑡= 6,17
𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑃𝑙á𝑡𝑎𝑛𝑜 = 82𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
1Conversión: 1TJ equivale a 0,277778 Gwh
CULTIVO PRODUCCIÓN
[t/AÑO]
ÁREA
CULTIVADA
[Ha/AÑO]
RENDIMIENTO
[t PRODUCTO
PRINCIPAL/Ha
SEMBRADA]
TIPO DE
RESIDUO
ORIGEN
DEL
RESIDUO
FACTOR DE
RESIDUOS
[t RESIDUOS /t
PRODUCTO PRINCIPAL]
MASA DE
RESIDUO
[t/AÑO]
POTENCIAL
ENERGÉTICO
[TJ/AÑO]
POTENCIAL
ENEGÉTICO
[Gwh/AÑO]1
Palma de
Aceite 79.357,00 4.809,00 16,50
Cuesco
RAI
0,217 17.220 239 66
Fibra 0,627 49.757 618 172
Raquis de
palma 1,060 84.118 601 167
Caña
Panelera 231.583,95 18.910,00 12,20
Bagazo RAC 2,530 585.907 9.525 2646
Hojas -
Cogollo RAI 3,750 868.440 2.866 796
Café 28.474,11 20.341,00 1,40
Pulpa RAI
2,131 60.678 218 60
Cisco 0,205 5.837 101 28
Tallos RAC 3,024 86.106 1.165 324
Maíz 34.625,58 12.330,00 2,80
Rastrojo
RAC
0,934 32.340 318 88
Tusa 0,270 9.349 97 27
Capacho 0,211 7.306 111 31
Arroz 17.137,00 2.360,00 7,20 Tamo RAC 2,350 40.272 144 40
Cascarilla RAI 0,200 3.427 50 14
Banano 28.079,77 3.344,00 8,40
Raquis de
banano RAC
1,000 28.080 12 3
Vástago de
banano 5,000 140.399 79 22
Banano de
rechazo RAI 0,150 4.212 7 2
Plátano 23.371,57 4.685,00 5,00
Raquis de
plátano RAC
1,000 23.372 10 3
Vástago de
plátano 5,000 116.858 66 18
Plátano de
rechazo RAI 0,150 3.506 6 2
TOTAL 442.628,98 2.167.184 16.233 4509
Tabla 7.2: Resultados caso de estudio sector energético biomasa residual agrícola en Cundinamarca
59
7.2 Sector pecuario (bovino y porcino)
Para realizar el caso de estudio del sector pecuario (bovino) se parte de la ecuación 5.5, como
se explicó en el capítulo 5, que permite calcular el poder energético de la biomasa residual
en bovinos.
Para calcular el poder energético de la biomasa residual del sector pecuario (bovino y
porcino) es indispensable considerar el poder calorífico inferior del metano (PCICH4), debido
a que la extracción energética de la biomasa residual pecuaria se da por medio del proceso
de digestión anaerobio generando metano para el aprovechamiento energético de estos
residuos.
Para adecuar las unidades del PCICH4 a las unidades planteadas en el modelo matemático, se
debe realizar una conversión de unidades, para obtener finalmente TJ/m3. El poder calorífico
inferior del metano se expresa por la siguiente conversión:
𝑃𝐶𝐼𝐶𝐻4∗ 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝐶𝐻4
= 13,89𝑘𝑤ℎ
𝑘𝑔∗ 0,656
𝑘𝑔
𝑚3= 9,11
𝑘𝑤ℎ
𝑚3
𝑃𝐶𝐼𝐶𝐻4= 9,11
𝑘𝑤ℎ
𝑚3∗ 3,6𝑥10−6𝑇𝐽 = 3,279𝑥10−5
𝑇𝐽
𝑚3
a. Grupos etarios (sector bovino)
𝑃𝐸<12𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 = 218564 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 1460𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,0001186
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸<12𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 = 271𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 12 𝑦 24 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 = 414880 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 3285𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,0000621
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 12 𝑦 24 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 = 1153𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 24 𝑦 36 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 = 327460 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 5110𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,0000794
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 24 𝑦 36 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 = 1428𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸>36 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 = 343230 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 6570𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,0000753
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸>36 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 = 1913𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
60
b. Categorías (sector porcino)
𝑃𝐸𝐿𝑒𝑐ℎó𝑛 𝑙𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 2381 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 102,2𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,02044
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸𝐿𝑒𝑐ℎó𝑛 𝑙𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 0,5𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑃𝑟𝑒𝑐𝑒𝑏𝑜𝑠 = 1983 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 445,36𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,02429
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸𝑃𝑟𝑒𝑐𝑒𝑏𝑜𝑠 = 1,5𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝐿𝑒𝑣𝑎𝑛𝑡𝑒 = 4998 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 799,35𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,009331
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸𝐿𝑒𝑣𝑎𝑛𝑡𝑒 = 6𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑅𝑒𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 = 4026 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 2051,30𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,01040
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸𝑅𝑒𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 = 11𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝐻𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎 𝑙𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 669 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 2693,7𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,0706
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸𝐻𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎 𝑙𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 3𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝐻𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎 𝑔𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 1811 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 1971𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎∗𝑎ñ𝑜∗ 0,02368
𝑚3
𝑘𝑔∗𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎∗ 3,279𝑥10−5 𝑇𝐽
𝑚3
𝑃𝐸𝐻𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎 𝑔𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 5𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
1Conversión: 1TJ equivale a 0,277778 Gwh
SUB-SECTOR POBLACIÓN
[CABEZAS]
TASA DE
PRODUCCIÓN DE
ESTIÉRCOL
[kg/CABEZA*AÑO]
MASA DE
RESIDUO
[t/AÑO]
SV *BO
(SÓLIDOS
VOLTATILES Y
BIOGAS) [M3/ kg
MASA SECA]
POTENCIAL
ENERGÉTICO
[TJ/AÑO]
POTENCIAL
ENERGÉTICO
[Gwh/AÑO]1
Bovino
Terneros < 12 meses 218.564 1.460 319.103,44 0,000118666 271 75
Entre 12 y 24 meses 414.880 3.285 1.362.880,80 6,21817E-05 1.153 320
Entre 24 y 36 meses 327.460 5.110 1.673.320,60 7,94675E-05 1.428 397
> 36 meses 343.230 6.570 2.255.021,10 7,53949E-05 1.913 532
Total (Grupos
Etarios) 1.304.134 5.610.325,94 4.765 1.327
Porcino
Lechón lactante 2.381 102,20 243,34 0,020444106 0,5 0,5
Precebos 1.983 445,30 883,03 0,024295994 1,5 0,5
Levante 4.998 799,35 3.995,15 0,009331905 6 2
Reproductor 4.026 2.051,30 8.258,53 0,010402392 11 3
Hembra lactante 669 2.693,70 1.802,09 0,070677881 3 1
Hembra gestante 1.811 1.971,00 3.569,48 0,023685471 5 1
Total 15.868 18.751,62 27 8
Tabla 7.3: Resultados caso de estudio potencial energético biomasa residual pecuaria (bovina y porcina) en Cundinamarca.
62
7.3 Sector pecuario (avícola)
Para realizar el caso de estudio del sector pecuario (avícola) se parte de la ecuación 5.6, como
se explicó en el capítulo 5, que permite calcular el poder energético de la biomasa residual
en el sector avícola.
𝑃𝐸𝐵𝑅𝑃 = 𝑁𝐴 ∗ 𝑀𝑆 ∗ 𝑃𝐶𝐼
𝑃𝐸𝐸𝑛𝑔𝑜𝑟𝑑𝑒 = 238374 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 25,55𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 ∗ 𝑎ñ𝑜∗ 0,000013536
𝑇𝐽
𝑘𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
𝑃𝐸𝐸𝑛𝑔𝑜𝑟𝑑𝑒 = 82𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
𝑃𝐸𝑃𝑜𝑛𝑒𝑑𝑜𝑟𝑎𝑠 = 238374 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 ∗ 25,55𝑘𝑔
𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 ∗ 𝑎ñ𝑜∗ 0,000013536
𝑇𝐽
𝑘𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
𝑃𝐸𝑃𝑜𝑛𝑒𝑑𝑜𝑟𝑎𝑠 = 24𝑇𝐽
𝑎ñ𝑜
SUB-
SECTOR
POBLACIÓN
[CABEZAS]
TASA DE
PRODUCCIÓN DE
ESTIÉRCOL
[kg/CABEZA*AÑO]
MASA DE
RESIDUO
[kg/AÑO]
PCI
[TJ/kg MASA
SECA]
POTENCIAL
ENERGÉTICO
[TJ/AÑO]
POTENCIAL
ENERGÉTICO
[Gwh/AÑO]1
Avícola
Engorde 238.374 25,55 6.090,46 1,35364E-05 82 23
Ponedoras 284.932 38,33 10.921,44 2,15282E-06 24 7
Total 523.306 17.011,90 106 30
Tabla 7.4: Resultados caso de estudio potencial energético biomasa residual pecuaria (avícola) en
Cundinamarca.
63
Capítulo 8
Análisis de resultados
A partir de los datos obtenidos en el Capítulo 7, donde fue aplicada la metodología el caso
de estudio propuesto (Cundinamarca), se procede a realizar el análisis pertinente a los
resultados, para los sectores agrícola y pecuario. Se realizaron los cálculos del poder
energético de la biomasa residual, donde se pretendía encontrar las potencialidades presentes
en los residuos del departamento, que en muchos casos está siendo desaprovechado. Además,
se buscó determinar el porcentaje de energía por cada residuo intentando identificar los
capaces de producir la mayor cantidad de energía eléctrica a partir de la biomasa residual.
8.1 Sector Agrícola
Palma de aceite: en la figura 8.1 se observa el porcentaje que cada residuo representa dentro
de la producción de potencial energético total del cultivo de palma de aceite. Se evidencia
que el cuesco tiene un aporte energético menor a la mitad del potencial energético aportado
por la fibra y el raquis.
Figura 8.1: Diagrama para el potencial energético a partir de la palma de aceite.
17%
42%
41%
POTENCIAL ENERGÉTICO SECTOR AGRÍCOLA
PALMA DE ACEITE
Cuesco Fibra Raquis
64
Caña panelera: en la figura 8.2 se observa el porcentaje que cada residuo representa dentro
de la producción de potencial energético total del cultivo de caña panelera. Se evidencia que
el bagazo contiene mayor potencial energético del cultivo, produciendo más de 3 veces el
potencial energético que producen las hojas – cogollo. Es importante tener en cuenta que el
bagazo posee el PCI mayor dentro de los residuos del cultivo de caña panelera.
Figura 8.2: Diagrama para el potencial energético a partir de la caña panelera.
Café: en la figura 8.3 se observa el porcentaje que cada residuo representa dentro de la
producción de potencial energético total del cultivo de café. A pesar que el PCI presente en
tallos no es el mayor presente del cultivo, su factor de residuos es el mayor entre los residuos
del cultivo, siendo el residuo que más potencial energético produce dentro del cultivo de café.
Figura 8.3: Diagrama para el potencial energético a partir del café.
77%
23%
POTENCIAL ENERGÉTICO SECTOR AGRÍCOLA
CAÑA PANELERA
Bagazo Hojas - Cogollo
15%
7%
78%
POTENCIAL ENERGÉTICO SECTOR AGRÍCOLA
CAFÉ
Pulpa Cisco Tallos
65
Maíz: en la figura 8.4 se observa el porcentaje que cada residuo representa dentro de la
producción de potencial energético total del cultivo de maíz. El rastrojo es el residuo que
mayor masa de residuo seco genera dentro del cultivo. Sin ser el que posee mayor PCI del
cultivo, produce el 60% del potencial energético del cultivo de maíz.
Figura 8.4: Diagrama para el potencial energético a partir del maíz.
Arroz: en el caso del cultivo energético del arroz, el residuo de tamo representa el mayor
porcentaje de potencial energético producible. Como sucede en cultivos anteriormente
explicados, el residuo del tamo tampoco posee el mayor PCI, pero si el mayor factor de
residuos. En la figura 8.5 se observa el porcentaje que cada residuo representa dentro de la
producción de potencial energético total del cultivo de arroz.
Figura 8.5: Diagrama para el potencial energético a partir del arroz.
60%19%
21%
POTENCIAL ENERGÉTICO SECTOR AGRÍCOLA
MAÍZ
Rastrojo Tusa Capacho
74%
26%
POTENCIAL ENERGÉTICO SECTOR AGRÍCOLA
ARROZ
Tamo Cascarilla
66
Banano y Plátano: los cultivos de banano y plátano poseen un PCI y un factor de residuos
prácticamente igual, por lo tanto los porcentajes que cada residuo aporta en la producción de
potencial energético del cultivo de banano y plátano son iguales, como se observa en la figura
8.6, donde el vástago es el residuo que mayor potencial energético produce dentro de estos
cultivos.
Figura 8.6: Diagrama para el potencial energético a partir del banano.
Totales Sector Agrícola
El potencial energético total de la biomasa residual del sector agrícola se observa en la figura
8.7. Se aprecian los diferentes cultivos y los porcentajes equivalentes de producción de
potencial energético total del sector, siendo la caña panelera el cultivo que aporta más de las
dos terceras partes de la energía producible en el sector, aportando el 76% de la producción
energética del total de los cultivos agrícolas.
Figura 8.7: Diagrama para el potencial energético total de la biomasa residual del sector agrícola –
con caña panelera.
12%
80%
8%
POTENCIAL ENERGÉTICO SECTOR AGRÍCOLA
BANANO Y PLÁTANO
Raquis Vástago Rechazo
9%
76%
9%3%
1% 1% 1%
POTENCIAL ENERGÉTICO TOTAL SECTOR
AGRÍCOLA EN CUNDINAMARCA
Palma de aceite Caña panelera Café Maíz Arroz Banano Plátano
67
Se debe comparar el potencial energético en (GWh/año) que cada uno de los cultivos del
sector agrícola puede generar. Se aprecia que el cultivo de arroz, banano y plátano pueden
generar una menor cantidad de energía que los cultivos de palma de aceite, café y maíz;
también es notable que la caña panelera puede producir una gran cantidad de energía
renovable, siendo más del 70% de la energía producible en el sector. Por esta razón no se
realiza una comparación con los demás cultivos, puesto que genera aproximadamente 9 veces
lo que genera el cultivo más cercano (café), como se muestra en la figura 8.8.
La caña panelera contiene una serie de características que la ubican como el cultivo con
mayor capacidad de producción de energía. El bagazo de la caña panelera es el residuo con
el PCI más alto entre todos los cultivos del sector. A su vez, el cultivo posee la mayor cantidad
de masa de residuo seco en comparación con los demás cultivos energéticos, debido a la
producción de caña panelera en Cundinamarca y el factor de residuo del bagazo y las hojas
secas.
Figura 8.8: Diagrama para el potencial energético total de la biomasa residual del sector agrícola –
con caña panelera.
Con el fin de realizar un análisis entre los cultivos energéticos, es necesario dejar como caso
especial el cultivo de la caña panelera, debido a que la cantidad de energía producible del
cultivo de caña panelera no es comparable con ningún otro cultivo dentro del caso de estudio.
En la figura 8.9 muestra el potencial energético (GWh/año) de cada uno de los cultivos
energéticos del sector agrícola sin tener en cuenta el cultivo de caña panelera.
Los cultivos de banano y plátano presentan la menor cantidad producible de potencial
energético (GWh/año). Esto es debido a la gran cantidad de humedad que poseen los residuos
de estos cultivos, siendo notable en la fracción de residuo seco (Yrs) que aportan por tonelada
de residuo generado, como se observa en la tabla 7.2.
405
3429
412
146 53 27 230,00
500,00
1000,00
1500,00
2000,00
2500,00
3000,00
3500,00
4000,00
PALMA DE ACEITE
CAÑA PANELERA
CAFÉ MAÍZ ARROZ BANANO PLÁTANO
Po
ten
cial
En
erg
éti
co [
GW
h/a
ño
]
Cultivo Energético
POTENCIAL ENERGÉTICO TOTAL SECTOR AGRÍCOLA EN
CUNDINAMARCA
[GWh/año]
68
En Cundinamarca los cultivos de palma de aceite y café, después de la caña panelera, son los
mayores productores posibles de energía a partir de biomasa residual como se observa en la
figura 8.9, ya que las cantidades de energía producible pueden ser consideradas para generar
la energía necesaria para abastecer gran parte de la demanda eléctrica en ZNI del
departamento.
Figura 8.9: Diagrama para el potencial energético total de la biomasa residual del sector agrícola –
excepto la caña panelera.
El potencial energético del sector agrícola en el departamento de Cundinamarca, teniendo en
cuenta todos los cultivos energéticos del caso de estudio, puede llegar a producir un total de
4495 GWh/año.
8.2 Sector Pecuario (Bovino y porcino)
Bovino: el potencial energético de la biomasa residual en el sector bovino se encuentra
dividido según el grupo etario en el que se encuentren machos y hembras. En la figura 8.10
se muestra el porcentaje de energía producible por cada uno de los grupos etarios; a pesar de
que el mayor número de cabezas se encuentra en el rango entre los 12 y 24 meses, el mayor
posible productor de energía en este sector son los mayores a 36 meses, esto debido en gran
parte a la cantidad de estiércol producido por cabeza en este grupo etario.
405 412
146
5327 23
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
450,00
Palma de aceite Café Maíz Arroz Banano Plátano
Po
ten
cial
En
erg
éti
co [
GW
h/a
ño
]
Cultivo Energético
POTENCIAL ENERGÉTICO TOTAL SECTOR AGRÍCOLA EN
CUNDINAMARCA - EXCEPTO CAÑA PANELERA
[GWh/año]
69
Figura 8.10: Diagrama para el potencial energético del sector bovino según su grupo etario.
En la figura 8.11 se observa la cantidad de potencial energético producible (GWh/año) por
cada grupo etario.
Figura 8.11: Diagrama para el potencial energético (GWh/año) del sector bovino según su grupo
etario.
El potencial energético del sector bovino en el departamento de Cundinamarca, teniendo en
cuenta todos los grupos etarios del caso de estudio, puede llegar a producir un total de 1324
GWh/año.
6%
24%
30%
40%
POTENCIAL ENERGÉTICO BOVINO
SEGÚN GRUPO ETARIO
Terneros < 12 meses Entre 12 y 24 meses Entre 24 y 36 meses > 36 meses
75,38
320
397
532
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
Terneros < 12meses
Entre 12 y 24 mesesEntre 24 y 36 meses > 36 meses
Po
ten
cial
en
erg
éti
co (
GW
h/a
ño
)
Grupo etario
POTENCIAL ENERGÉTICO BOVINO
SEGÚN GRUPO ETARIO [GWh/AÑO]
70
Porcino: el potencial energético de la biomasa residual en el sector porcino se encuentra
dividido según categorías. A pesar de que la categoría de reproductores son los que mayor
potencial energético producen, no son los que mayor número de cabezas ni mayor tasa de
producción de estiércol posee. En la figura 8.12 se muestra el porcentaje de energía
producible por cada uno de las categorías porcinas.
Figura 8.12: Diagrama para el potencial energético del sector porcino según su categoría.
En la figura 8.13 se observa la cantidad de potencial energético producible (GWh/año) por
cada categoría porcina.
Figura 8.13: Diagrama para el potencial energético (GWh/año) del sector porcino según su
categoría.
El potencial energético del sector porcino en el departamento de Cundinamarca, teniendo en
cuenta todas las categorías del caso de estudio, puede llegar a producir un total de 8 GWh/año.
1% 5%
23%
42%
10%
19%
POTENCIAL ENERGÉTICO PORCINO SEGÚN
CATEGORIA
Lechón lactante
Precebos
Levante
Reproductor
Hembra lactante
Hembra gestante
0,5 0,5
2
3
1
1,5
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
Lechón lactante
Precebos Levante Reproductor Hembra lactante
Hembra gestante
PO
TEN
CIA
L EN
ERG
ÉTIC
O (
GW
H/A
ÑO
)
CATEGORIA
POTENCIAL ENERGÉTICO PORCINO
SEGÚN CATEGORIA[GWh/año]
71
8.3 Sector Avícola
El potencial energético de la biomasa residual en el sector avícola se encuentra clasificado
según el propósito: engorde o ponedoras. En la figura 8.14 se muestra el porcentaje de energía
producible de acuerdo al propósito de las aves.
Es evidente que para el caso de las ponedoras no generan una gran cantidad de potencial
energético debido a que sus residuos (excremento) poseen un gran porcentaje de humedad.
Por esta razón en algunas ocasiones se considera implementar la digestión anaerobia para un
mayor aprovechamiento energético de estos residuos.
Figura 8.14: Diagrama para el potencial energético sector avícola según su propósito.
En la figura 8.15 se observa la cantidad de potencial energético producible (GWh/año) por
el sector avícola.
Figura 8.15: Diagrama para el potencial energético (GWh/año) sector avícola según su propósito.
El potencial energético del sector porcino en el departamento de Cundinamarca, teniendo en
cuenta todas las categorías del caso de estudio, puede llegar a producir un total de 30
GWh/año.
78%
22%
POTENCIAL ENERGÉTICO SECTOR
AVÍCOLA SEGÚN PROPOSITO
Engorde Ponedoras
23
7
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
Engorde Ponedoras
PO
TEN
CIA
L EN
ERG
ÉTIC
O (
GW
H/A
ÑO
)
PROPOSITO
POTENCIAL ENERGÉTICO AVÍCOLA
SEGÚN CATEGORIA[GWh/año]
72
8.4 Potencial energético total
El potencial energético total producible de la biomasa residual de los sectores agrícola y
pecuario es 5856 GWh/año, en la figura 8.16 se muestran el potencial energético total de
cada sector, donde el sector agrícola produce el 77% de la energía total producible.
Figura 8.16: Diagrama para el potencial energético total (GWh/año) de los sectores agrícola y
pecuario.
8.5 Impacto ambiental
El impacto de la variabilidad climática y el cambio climático obligan a desarrollar fuentes de
energía renovable que permitan reemplazar las fuentes convencionales, y de esta manera
contribuir a la disminución en la generación de gases de efecto invernadero (GEI) [48].
En el caso de estudio de esta monografía se logra estimar que el potencial energético de la
biomasa residual en el departamento de Cundinamarca producible es de 5856,48 GWh/año.
Teniendo en cuenta el poder calorífico de los combustibles de origen no renovable, se puede
hacer una comparación de la cantidad de toneladas de estos productos que se pueden llegar
a reemplazar si se generase esa cantidad de energía a partir de biomasa residual en el
departamento, como se muestra en la tabla 8.1.
COMBUSTIBLES NO
RENOVABLES
VALOR
CALORÍFICO
[MJ/t]
TONELADAS
REEEMPLAZADAS
POR BIOMASA [t/año]
Carbón Mineral 27500 767.844
Gasolina 46800 451.190
ACPM 43200 488.790
Petróleo 43200 488.790
GLP 93600 225.595
Gas Natural 37580 561.887
Tabla 8.1: Toneladas de combustibles no renovables reemplazadas por biomasa al año.
4496
1361
0
1000
2000
3000
4000
5000
Agrícola Pecuario
PO
TEN
CIA
L EN
ERG
ÉTIC
O
[GW
H/A
ÑO
]
SECTOR
POTENCIAL ENERGÉTICO TOTAL DE LOS
SECTORES AGRÍCOLA Y PECUARIO
[GWH/AÑO]
73
El reemplazar esas toneladas de combustibles no renovables por energía renovable a partir
de la biomasa residual, conlleva a disminuir efectos nocivos al medio ambiente ocasionados
por su uso, esto se puede observar en la tabla 8.2.
FUENTE DE
ENERGÍA
EFECTOS EN EL
TERRENO
EFECTOS EN
EL AGUA
EFECTOS EN LA
ATMOSFERA
EFECTOS
BIOLÓGICOS SUMINISTRO
Carbón
Terreno removido.
Grandes cantidades
de desperdicios
sólidos. Desechos de
minas
Drenaje químico
de minas.
Aumento en la
temperatura del
agua.
Óxidos de azufre.
Óxidos de nitrógeno
particulado. Algunos
gases radiactivos.
Problemas
respiratorios
ocasionados por la
contaminación
atmosférica.
Grandes
reservas
Petróleo
Desperdicios en
forma de salivera.
Construcción de
oleoducto.
Aumento en la
temperatura del
agua. Derrames
de petróleo.
Óxidos de nitrógeno.
Algunos óxidos de
azufre.
Problemas
respiratorios
ocasionados por la
contaminación
atmosférica.
Reservas
domésticas
limitadas
Gas Construcción de
oleoducto
Aumento en la
temperatura del
agua.
Algunos óxidos de
nitrógeno
Ninguno
observable
Reservas
domésticas
limitadas
Tabla 8.2: Efectos ambientales producidos por la generación de energía eléctrica a partir de fuentes
fósiles. [48]
La producción de energías renovables, promueve múltiples funciones al espacio rural para
ser aprovechados en favor del desarrollo de la población local, generalmente, la más
vulnerable, particularmente para las zonas no interconectadas a la red eléctrica nacional. Su
objetivo es fomentar un nuevo estilo de vida, donde la cultura y la participación de la
población local rural, tengan como prioridad el uso de los diferentes residuos con los que
cuentan, lo cual genere un nuevo enfoque de auto-sostenimiento que puede aprovecharse y
resultar en estrategias innovadoras [2].
Figura 8.17: Impacto de la implantación de las energías renovables en el desarrollo sostenible rural.
74
Capítulo 9
Conclusiones
En la presente monografía se dio cumplimiento a todos los objetivos propuestos, y
adicionalmente, se lograron realizar otras contribuciones. Principalmente se desarrollaron
modelos matemáticos para la estimación del potencial energético de la biomasa residual en
el departamento de Cundinamarca, planteados para cada sector (agrícola y pecuario),
teniendo en cuenta la clasificación o grupo etario, categoría o propósito dentro de cada
sector.
La humedad es la variable más importante cuando se trata de estimar el potencial
energético que puede aportar un residuo. Por lo tanto, es importante manejar
porcentajes de humedad en cada uno de ellos, por lo general no debe exceder el 30%
para lograr aprovechar de manera óptima el residuo. El banano y el plátano generan
residuos agrícolas con alto porcentaje de humedad, y es por esto que al calcular el
potencial energético presente en sus residuos se obtienen cantidades bajas de energía
respecto a la producción total de estos cultivos.
El rendimiento del cultivo es una variable dentro del modelo matemático de la
biomasa residual en el sector agrícola. El valor del rendimiento no tiene un
comportamiento constante que no solo depende de la clase de cultivo, sino de las
condiciones en las que este se encuentra, como lo son la temperatura, la altura, el tipo
de siembra, y el tratamiento que se le da a la tierra para la cosecha, entre otros.
Para aplicar los modelos matemáticos de la biomasa residual en el sector pecuario, es
importante realizar una clasificación de los residuos según el sector que los produce
(bovino, porcino o avícola), con la finalidad de establecer cantidades aproximadas de
residuos en cada sector, agrupándolos según grupo etario, categoría o propósito, con
el objetivo de relacionar fácilmente la tasa de producción de estiércol según esta
clasificación.
Se evidenció que es posible generar altas cantidades de energía eléctrica a partir de
la biomasa residual en el departamento de Cundinamarca, permitiendo reemplazar un
porcentaje considerable de los combustibles fósiles utilizados actualmente para la
75
generación de energía eléctrica. Su implementación conlleva una serie de beneficios,
entre ellos disminución de los Gases de Efecto Invernadero (GEI), la posible
electrificación de las zonas no interconectadas a la red, mejoras socioeconómicas
rurales, entre otros.
El cultivo de caña panelera presenta condiciones propicias para ser considerado un
cultivo energético con alta posibilidad de producción de energía eléctrica. Presenta
altos niveles de Poder Calorífico Inferior (PCI), y en el caso del bagazo, una alta
fracción de residuos seco (Yrs).
La tasa de producción de energía del sector porcino es baja comparada con las que se
estimaron en los demás sectores. Por esta razón es más viable la producción de
energía a partir del sector bovino y el sector avícola en condiciones como las que
presenta el departamento de Cundinamarca.
Es necesario desarrollar políticas para la implementación de la biomasa como fuente
renovable de generación de energía eléctrica, así como para el manejo adecuado de
los residuos y su registro en bases de datos, pues no se cuenta con una base de datos
sólida que permita estimar los totales de residuos presentes en el territorio
colombiano.
El cultivo de caña de azúcar tiene características que la hacen potencialmente
aprovechable para producción de energía eléctrica, como lo son el alto rendimiento,
ya que se estima que es mínimo de 35 toneladas por cada hectárea sembrada, y su
factor de residuos. En el caso particular de Cundinamarca no fue posible obtener
valores de potencial energético debido a que en las bases de datos no se encuentran
datos respecto a este cultivo, sin embargo es el cultivo energéticamente más
aprovechable y apto para generar energía.
Es recomendable realizar una diversificación de los cultivos, teniendo en cuenta los
cultivos más aprovechables para la generación de energía eléctrica, mejorando la
calidad de vida de la población rural y volviendo la energía eléctrica a partir de
biomasa residual una fuente competitiva.
76
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