bagazo de caña de azúcar

7/25/2019 Bagazo de Caa de Azcar

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4/11/2015 Bagazo de caa de azcar: energa o etanol carburante? Dos casos de estudio

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar31/HTML/Articulo02N.htm

Bagazo de caa de azcar: energa o etanol carburante?Dos casos de estudio

Ing. Francisco Diez Torres e Ing. Norge Garrido Carralero

* *Instituto Cubano de Investigaciones de losDerivados de la Caa de Azcar (ICIDCA), La Habana, Cuba.

e-mail: [email protected] y [email protected]

Resumen

El presente trabajo constituye un anlisis comparativo sobre la utilizacin del bagazocomo combustible directo para la generacin y cogeneracin, o para la produccin deetanol.

Como resultado se ha obtenido que el bagazo siempre tenga un valor de uso muchomayor como combustible directo en la generacin de energa elctrica y trmica, quecomo materia prima para la produccin de etanol mediante su hidrlisis. Con ello se logra

vender excedentes de electricidad a la red nacional, a partir de esquemas eficientes deproduccin de azcar que aportan el bagazo sobrante necesario, y de eficientesesquemas de cogeneracin que debern concluir con la gasificacin del bagazo y lageneracin en ciclos combinados. Adems, se podrn obtener ganancias por la venta decrditos de carbono por la reduccin en la emisin de gases contaminantes y de efectoinvernadero.

Palabras clave:

Bagazo, etanol, ciclo Rankine, ciclo combinado, hidrlisis cida y enzimtica.

Introduccin

Durante las ltimas dcadas, la comunidad internacional ha tomado conciencia de losgrandes problemas que aquejan a nuestro planeta y de la necesidad de ir hacia undesarrollo sustentable. Uno de los grandes problemas a ser resueltos es la reduccin delconsumo de combustibles fsiles, por un lado, debido al agotamiento inevitable de lasreservas por los altos niveles de consumo, y por otro, por la necesidad de reducir lasemisiones de gases contam inantes y de efecto invernadero que afectan el medioambiente. Por esta razn es que en los ltimos aos se han buscado nuevas fuentes deenerga, renovables y limpias, que ayuden a reducir el consumo de aquellos y laconsiguiente emisin de gases contaminantes.

Entre las fuentes renovables de energa en estudio, la ms antigua, utilizada y difundida,es la energa obtenida a partir de la biomasa, sobre la que se realizan estudios deoptimizacin de los procesos de combustin para alcanzar mayores rendimientos yeficiencias, y se estudian nuevas tecnologas, como son los procesos termoqumicos y lagasificacin. Entre las plantas utilizadas para fines bioenergticos se destacan lasgramneas, como la caa de azcar, cuya eficiencia fotosinttica es de las ms altasentre todos los vegetales, razn por la cual la agroindustria azucarera es considerada unagran fuente de produccin de energa [BNDES, 2008]. Como resultado de la molida de lacaa se obtiene el bagazo, que es utilizado para autoabastecer a la industriaenergticamente (potencia y calor en sistemas de cogeneracin) y como derivadotradicional, el etanol, que normalmente se obtiene de las mieles finales, pero que tambinpuede obtenerse de mezclas de jugo y miel, y de jugo de caa directamente.
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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Por otra parte, durante la ltima dcada, el etanol ha devenido como gran solucin, puesno slo puede ser utilizado como combustible automotor directamente, sino que enmezclas con hidrocarburos se logra disminuir las emisiones dainas en los vehculosautomotores, debido a que su gran contenido de oxgeno (35%), junto a otrascaractersticas, permiten una combustin ms limpia y un mejor desempeo de losmotores, lo que conlleva a la reduccin de las emisiones contaminantes, cumpliendo conello lo establecido en el Tratado de Kyoto [BNDES, 2008; Aguilar, 2007].

En los ltimos tiempos, debido a la necesidad de incrementar la produccin de bioetanolutilizando nuevas materias primas que no posean valor alimenticio, se ha incrementado elestudio de los procesos de hidrlisis (cida y enzimtica), con el objetivo de separar lalignina de la celulosa y hemicelulosas de los materiales lignocelulsicos, y convertirlas enetanol. As, en los pases productores de azcar y etanol a partir de la caa, se hapensado en la utilizacin de estos procesos para producir bioetanol del bagazo, materiallignocelulsico, que se dispone en la misma fbrica sin necesidad de ser recogido ytransportado desde las reas de plantacin a las plantas procesadoras [Nez, s/a]. Pero,vale realmente la pena utilizar un material que de por s constituye un combustible, conuna utilizacin bien estudiada y cuyos procesos de combustin han sido optimizados, yan se pueden optimizar ms, para producir otro combustible?

El presente trabajo no pretende realizar un anlisis detallado de la factibilidad de laproduccin de bioetanol o de bioelectricidad a partir del bagazo de la caa de azcar, peros pretende introducir el tema a discusin, con el objetivo de hacer un uso verdaderamenteracional de esta fuente de energa, sobre todo si se tiene en cuenta que la caa de azcar puede llegar a representar, por medio del bioetanol y de la bioelectricidad, la segundafuente primaria, y la principal fuente renovable en la matriz energtica de los pasesproductores de azcar y etanol de caa.

Materiales y mtodos

Caractersticas generales del bagazo de la caa de azcar

El bagazo es el residuo lignocelulsico fibroso remanente de los tallos de caa, obtenido ala salida del ltimo molino del tndem azucarero, constituyendo un conjunto heterogneo

de partculas de diferentes tamaos que oscilan entre 1 y 25 mm, presentando unafraccin promedio de aproximadamente 20 mm. Desde el punto de vista fsico, el bagazointegral se compone de 45% de fibra, 2-3% de slidos insolubles, 2-3% de slidossolubles y 50% de humedad, mientras que desde el punto de vista qumico, se componede 46,6% de celulosa, 25,2% de hemicelulosas (pentosanos) y 20,7% de lignina. Lashemicelulosas abarcan un conjunto de polisacridos diferentes, cuya composicin tienecomo caractersticas comunes: solubilidad en solventes, reactividad frente a los cidos ydescomposicin en azcares y furfural. Estas propiedades las diferencian, analticamente,del resto de los componentes qumicos del bagazo. La lignina, tercer componente enimportancia cuantitativa del bagazo, entre 20 y 22%, representa un conjunto de polmerosamorfos, reticulares, de altos pesos moleculares y naturaleza eminentemente fenlica[ICIDCA, 2000].

En cuanto a los usos del bagazo, es necesario tener en cuenta el creciente desarrollo dela industria de los derivados, es decir, de la diversificacin de la industria como manera dereevaluacin econmica de la misma, y su tradicional compromiso energtico, los cualescomienzan a adquirir una relevante significacin econmica. Dentro de los derivados demayor inters en los ltimos tiempos est el etanol, por la disponibilidad del bagazo en lafbrica de azcar, lo que disminuye los costos de produccin porque se prescinde de losprocesos de aumento de densidad, y de la transportacin automotor, entre otros.

El bagazo ha sido utilizado histricamente como combustible en la industria azucarera, yan cuando su valor calrico es relativamente bajo (1 850 kCal/kg), al ser comparado conotros combustibles fsiles tradicionales, no hay duda de que constituye un valiosopotencial energtico, sobre todo, para aquellos pases que no tienen disponibilidadessignificativas de combustible, y a la vez son grandes productores de azcar de caa. As,


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si en el pasado los esquemas de produccin de azcar se calculaban energticamente, demanera tal que el bagazo sirviera de combustible para la generacin de la potencia y elcalor necesario en la industria, con el mnimo o ningn sobrante, es decir, con 0 bagazoresidual, en la actualidad se buscan esquemas energticos y de procesos que aseguren lamayor cantidad de bagazo sobrante para la produccin de derivados y, sobre todo, en losltimos aos, para generar electricidad, que se aporta (se vende) a la red, sustituyendofuel-oil y asegurando la venta de crditos de carbono con un material renovable en cadazafra. En este sentido, se ha demostrado la posibilidad de satisfacer las demandasenergticas de un central con casi la mitad del bagazo que se genera, por lo que elsobrante puede ser utilizado como materia prima para otras producciones.

Por otra parte, la existencia cada vez menor de materiales fibrosos para ser empleadoscomo materia prima en la industria de derivados, y su carcter renovable, han estimuladotambin en las ltimas dcadas un desarrollo acelerado de la utilizacin del bagazo enproducciones de derivados [ICIDCA, 2000].

Caractersticas generales del bioetanol

El trmino bioetanol se refiere al alcohol etlico de frmula C2H5OH, conocido tambincomo etanol, metil carbinol, alcohol de caa, o de granos. Es un lquido incoloro,transparente, voltil, de olor etreo, sabor picante, y miscible en agua y en diversos

lquidos orgnicos. Se emplea en la industria destilado con diferentes grados de pureza,segn su destino. Normalmente se comercializa en forma hidratada (de 95 a 96% v/v), oanhidra (mayor de 99% v/v) [ICIDCA, 2000].

La produccin de bioetanol se realiza en bases comerciales por dos vas tecnolgicas(Fig. 1): utilizando materias primas dulces, directamente fermentables, como la caa deazcar, la remolacha azucarera y el sorgo sacarino o sorgo dulce, o mediante el uso dematerias primas amilceas, como el maz, el trigo y la yuca, cuyo almidn debe ser convertido en azcares (sacarificado) antes de la fermentacin. Una tercera va sera eluso de la biomasa disponible en materiales como el bagazo y la paja de caa, mediante lahidrlisis de las cadenas celulsicas, produciendo una solucin de azcares fermentablesEsta va presenta gran inters gracias al bajo costo de la materia prima, pero an no estdisponible en escalas comerciales, aunque existen expectativas de que en los prximosaos pueda alcanzar viabilidad econmica [BNDES, 2008].


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Fig. 1. Esquemas posibles de produccin de bioetanol.

Desde el inicio de los aos setentas del pasado siglo, a causa de la crisis energtica deaquellos aos, el etanol ha tomado auge. Su uso fundamental ha sido como sustituto dela gasolina debido a que sus mezclas aumentan el octanaje de forma adicional y permitereducir el empleo de tetraetilo de plomo, que posee accin cancergena. Adicionalmente lasustitucin total de la gasolina por alcohol permite reducir en los gases de escape elmonxido de carbono y xido de nitrgeno, los cuales son altamente nocivos. En laactualidad, se ha incrementado nuevamente su utilizacin, y aunque hubo un perodo dedecrecimiento de su produccin y uso, a partir del 2000 y debido a la necesidad dereduccin del uso de los combustibles fsiles y de la oxigenacin de las gasolinas paradisminuir las emisiones de gases contaminantes y de efecto invernadero, su utilizacin enmezclas con la gasolina ha devenido prctica obligatoria en los pases firmantes deltratado de Kyoto [BNDES, 2008; Nez. s/a].

Otros usos importantes del alcohol son como antisptico, solvente, agente preservante yprecipitante, disolvente de nitrocelulosa, gomas, resinol, jabn, aceites esenciales,drogas, ceras, en la elaboracin de bebidas alcohlicas, en la electrnica, y muchosotros. ltimamente ha ganado inters el empleo del etanol como materia prima para lafabricacin de sustancias qumicas (alcoqumica).

Se deben observar una serie de aspectos referentes a la materia prima en la produccinde etanol [BNDES, 2008]:

1. Las materias primas ms adecuadas para la produccin de alcohol son aquellas que,en un sentido amplio, se muestran ms eficientes. As, vale priorizar los cultivos queminimicen los requerimientos de tierra, agua y aportes externos, de agroqumicosfundamentalmente.

2. Debe ser tomada en cuenta la viabilidad econmica, pues no tiene sentido proponer eluso de cultivos nobles y con buen valor de mercado, como fuente de bioenerga, muchomenos en estos momentos y sobre todo, si el valor energtico de la biomasa propuestacomo materia prima supera al del etanol que se producira a partir de esta. Slo en pases


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en los que se le han otorgado precios de oportunidad al etanol, por encima de los preciosde la electricidad, podra desestimarse este aspecto.

3. La materia prima representa, tpicamente, entre 60 y 70% del costo final del bioetanol,y la bsqueda de alternativas de bajo costo es fundamental.

4. La existencia de coproductos y subproductos de valor alimenticio, industrial oenergtico, es otro aspecto importante.

5. El balance energtico de cada una de las materias primas, o sea, la relacin entre laenerga producida y la demanda de energa, directa e indirecta, para producir tal energa.En este sentido, son ms interesantes los cultivos de alta productividad y baja demandade insumos energticos exgenos, es decir, los de mayor grado de conversin (Tabla 1).

Tabla 1. Comparacin energtica de las diferentesmaterias primas para la produccin de etanol Materia prima Relacin de energa Emisiones evitadas

Caa 9,3 89%Maz 0,6 - 2,0 -30% a 38%Trigo 0,97 - 1,11 19% a 47%Remolacha 1,2 - 1,8 35% a 56%Mandioca 1,6 - 1,7 63%Residuos lignocelulsicos* 8,3 - 8,4 66% a 73%

Analizando los aspectos antes expuestos, cabe preguntarse si, independientemente quelos altos niveles de conversin energtica y de reduccin de gases de efecto invernaderoapunten hacia una alta viabilidad de la produccin de etanol a partir de la caa de azcar,sera prudente producir etanol del bagazo atendiendo a su buen valor de mercado comofuente de bioenerga.

Produccin de energa vs. produccin de etanol a partir del bagazo de la caa

Si el valor calrico o calorfico de una sustancia combustible, es el calor que puede ser generado con la combustin de la unidad de peso de la misma, entonces, atendiendo alos valores calricos del bagazo integral (50% de humedad) y del etanol, podemos hacer una primera comparacin entre ambos, para conocer si realmente se justifica laconversin del bagazo a etanol en vez de utilizar otras materias lignocelulsicas paraesos fines, y utilizar el bagazo como generador de energa elctrica.

Se distinguen dos tipos de valor calrico, o calorfico: el valor calorfico superior y elvalor calorfico inferior. El primero, indica el calor que puede obtenerse tericamentecon el combustible, que es alcanzable debido a que, en la prctica, es imposible reducir latemperatura de los productos de la combustin hasta la temperatura de roco. Tngase encuenta que: el valor calorfico superior es aquel que se produce con la combustin de unkilogramo de combustible, a 0 C y 760 mmHg de presin, donde todos los productos decombustin se reducen a las mismas condiciones, y el agua presente en el combustible,as como aquella que se forma por la combustin del hidrgeno presente, se condensa.El segundo, valor calorfico inferior, o neto, no es ms que aquel que supone que el aguapresente en el combustible, as como la que se forma en la combustin, permanecen enestado de vapor [Hugott, 1967]. Es este valor calorfico inferior, el que da la indicacinms precisa del calor que puede obtenerse realmente, y es entonces el que debe ser utilizado en la prctica y calculado, ya que no existe ningn mtodo para determinarlodirectamente.

Entonces, tomando el valor calorfico inferior del etanol puro por tablas, que es 26 790kJ/kg, (6 399 kCal/kg), y calculando el del bagazo integral a 50% de humedad, de acuerdoa la expresin reportada por Hugot [1967]:


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V.C.N. = 4 250 4 850 w = 4 250 4 850 (0,5) = 1 850 kCal/kg

Donde:

w: Porcentaje de humedad del bagazo. En la expresin anterior, ya se tuvieron en cuentalas prdidas de calor en la produccin de vapor en la fbrica. De acuerdo con lo anterior, 1t de bagazo integral a 50% de humedad, puede producir en combustin, un calor de 1 850000 kCal. Por otra parte, de acuerdo a la estequeometra de los procesos actuales deconversin de bagazo a etanol mediante hidrlisis, tanto cida como enzimtica, con unatonelada de bagazo slo se pueden obtener 186 L de etanol total (Fig. 2).

Por lo tanto, con 186 L de etanol que se producen con una tonelada de bagazo [Nuez] sepuede producir un calor en combustin de:

186 L x 0,79 kg/L) 6 399 kCal/kg = 940 269,06 kCal.

Entonces, si comparamos el calor que puede ser producido por la combustin de unatonelada de bagazo integral a 50% de humedad, y el calor que puede ser producido conlos 186 litros de etanol que se obtienen actualmente por los mtodos de conversin decelulosa a etanol mediante hidrlisis, se obtienen 909 731 kCal ms:

1 850 000 940 269 = 909 731 kCal.

Fig. 2. Estequeometra de la conversin de una tonelada de bagazo integral a etanol.

Del anlisis anterior se observa que al convertir una tonelada de bagazo a etanol mediantelos procesos actuales de conversin por hidrlisis, en vez de utilizarlo en la generacin depotencia y calor, se perder energa posible a ser producida equivalente a 909 731 kCal.

Sin embargo, la bibliografa plantea que podr llegarse a convertir bagazo a etanolmediante hidrlisis en una relacin de hasta 400 L/t de materia celulsica. Teniendo encuenta que la celulosa y las hemicelulosas representan entre ambas 71,8% del bagazo

integral, la relacin anterior correspondera a 287 L de etanol/t de bagazo integral, y elanlisis anterior reflejara que con la combustin del etanol que se producira con laconversin de una tonelada de bagazo, se obtendr una cantidad de calor por combustin(del etanol) equivalente a:

(287 L x 0,79 kg/L) 6 399 kCal/kg = 1 450 845,27 kCal.

De este nuevo anlisis se desprende que, an con el incremento a niveles mximos de lacantidad de etanol obtenido por tonelada de bagazo mediante procesos de hidrlisis, seobtendran 399 115 kCal ms con la combustin directa del bagazo.

Anlisis de dos casos de estudio


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Si se toman dos casos de estudio de produccin diversificada, el primero con produccinde azcar y de etanol a partir de miel final, y el segundo, con produccin de azcar y deetanol a partir de miel B y jugo de los filtros, tendremos como resultados los mostrados enlos esquemas de las figuras 3 y 4, obtenidos en corridas del programa DAFLEX(Diversificacin Azucarera Flexible) desarrollado en el ICIDCA sobre hoja de clculoEXCEL [Daz,et al., 2002]. Los esquemas anteriores se calcularon tomando como baselos parmetros que se muestran en la tabla II.

Del anlisis de ambos esquemas, y de los parmetros de operacin de la tabla 2, seobserva que las diferencias entre la energa elctrica generada durante y despus dezafra, as como en la energa consumida en los procesos de produccin de azcar yetanol, no son muy grandes; el segundo esquema (Fig. 4) vende 4,64 MWh ms duranteambas etapas, que el primero (Fig. 3), en el que resulta mayor la electricidad vendidadespus de zafra (16,95 MWh), generada con el bagazo sobrante que se empleara en laproduccin de etanol, si no se utilizara en la generacin de electricidad. Por tanto,partiendo de una produccin de 186 L de etanol por tonelada de bagazo con los procesosactuales de hidrlisis de biomasa, se simul la generacin de electricidad a partir deletanol obtenido con el bagazo sobrante en los dos esquemas anteriores, con las mismascondiciones de ambos, y que se presentan en las figuras 5 y 6, donde se observa que lacantidad de etanol producido en ambos esquemas se diferencia slo en 2,24 t/da, querepresentan alrededor de 2 835 L de etanol ms por da, pero la electricidad que se

produce en ambos casos no difiere y es de 4,70 MWh.En este caso, si se compara la electricidad que se puede producir con el etanol que seobtiene a partir del bagazo sobrante de los esquemas anteriores, con la electricidad quese genera a partir de la combustin directa del mismo, se corrobora que tal y como sedemostr en la comparacin de la cantidad de calor que se poda producir con amboscombustibles, con el bagazo se obtiene mucha ms energa elctrica y trmica, que conel etanol producido a partir de ste.


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Fig. 3. Esquema de produccin diversificada. Miel final a etanol.


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Fig. 4. Esquema de produccin diversificada. Miel B y jugo de los filtros a etanol


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Fig. 5. Generacin de electricidad con el etanol producido

con el bagazo sobrante en el esquema de miel final a etanol.


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Fig. 6. Generacin de electricidad con el etanol producido

con el bagazo sobrante en el esquema miel final y jugo de los filtros a etanol.

Tabla 2. Parmetros de la produccin de azcary etanol de los casos representados en las figuras 3 y 4Parmetro Esquema 1Esquema 2 Parmetro Esquema 1 Esquema 2

Das de zafra 180 180 Consumo vapor proceso, t/t caa 0,26 0,26

Molienda real,t/da 6 300 6300

ndice general devapor, t vapor/tbagazo

7000 7000

Caa molida, t/h 262,5 262,5Nmero ycapacidad

1 de 151 de 15 MW


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de turbos MWBagazo en caa,kg/t caa 285 285

Eficienciaturbos, % 0,80 0,80

Cantidad decalderas 1 1

Consumoelectricidadazcar, MWh

4,08 6,07

Capacidadcalderas,t/da

100 100Consumoelectricidadetanol, MWh

0,79 0,79

Presin de vapor vivo, kgf/cm2 42 42

Bagazo disponible/ calderas, t 1 797,34 1 797,34

Temperatura delvapor vivo, C 400 400

Bagazo/generacinen zafra, t/da 1 021,71 918,30

Entalpa del vapor vivo, kCal/kg 766,93 766,93

Bagazo/generacindespus de zafra,t/da

775,63 879,04

Consumo vapor enturbogeneradores,kg/kW

5 5Poder calorficoinferior del bagazo,kCal/kg

1 850 1 850

Presin vapor deescape, kgf/cm2 2,5 2,5

Produccinelectricidaden zafra, MWh 17,37 15,6

Entalpa vaporde escape,kCal/kg

648,85 648,85Produccinelectricidaddespus dezafra, MWh

16,95 14,9

Los parmetros utilizados, sobre todo en cuanto a presin de vapor en la caldera yequipos de cogeneracin, son an modestos si se requiere potenciar la generacin deelectricidad. Si se realiza un anlisis de la evolucin tcnica que ha sufrido lacogeneracin en la industria azucarera, debido a los cambios de filosofa en cuanto a la

disponibilidad de bagazo y su uso como fuente de energa, renovable y limpia, para lageneracin de electricidad, observamos que [Costa, 2008]:

Fig. 7. Diagrama tpico o tradicional de un ingenio azucarero.


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Fig. 8. Diagrama tpico optimizado de un ingenio azucarero.

1. Antiguamente, el bagazo era considerado como un residual que ocasionaba unproblema ambiental, por lo que deba ser quemado para resolver tal situacin, y slo seproduca con l la electricidad y el vapor necesario para el proceso. Las calderasutilizadas eran de baja presin y temperatura, con una eficiencia pobre, al igual que lasunidades de cogeneracin que, en muchas ocasiones, no satisfacan todas lasnecesidades del ingenio azucarero. Por lo general, los motores mecnicos eranaccionados con pequeas turbinas de vapor, y slo las bombas y otros equipos como lascentrfugas, y otros, eran accionados por motores elctricos (Fig. 7).

2. Posteriormente se optimiza el esquema anterior, producindose una generacin deenerga ms eficiente, con una mejor relacin presin/temperatura (Fig. 8), pero, sinembargo an no bien optimizada y por debajo de las posibilidades reales. Las calderas denueva generacin tenan todava una eficiencia media y subsistan an demasiadosmotores mecnicos accionados con turbinas pequeas de vapor, de baja eficiencia. Noexista todava un concepto definido de planta de generacin de vapor y energa, pues lageneracin de electricidad no era todava una necesidad.

3. Actualmente, la filosofa energtica de la industria azucarera y de los derivados hacambiado, debido al alza de los precios del petrleo, la necesidad de buscar fuentesalternativas de energa, limpias adems, para evitar o disminuir la emisin de gases deefecto invernadero (Fig. 9). Por esta razn, la mayora de los ingenios azucarerosactuales presentan esquemas ms eficientes de cogeneracin, con mayores presiones,mayores eficiencias y con aporte de electricidad a la red. La produccin de energa hapasado a ser uno de los principales productos del ingenio azucarero, y los esquemas secaracterizan por [Costa, 2008]: Parmetros de alta presin y temperatura, con calderas dealta eficiencia

Reemplazo de turbinas de vapor pequeas por motores elctricos con convertidor defrecuencia, por lo que se incrementa la eficiencia global de la planta La eficiencia es un objetivo fundamental en todo el ingenio azucarero. En algunos pases

se utiliza la paja y la punta de la caa como combustibles adicionales al bagazo Seutilizan equipos de alto comportamiento rendimiento y eficiencia Se realiza una evaluacin tcnica de los procesos de gasificacin de la paja de la caay el bagazo, para producir una migracin a ciclo combinado.


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Fig. 9. Diagrama de un ingenio azucarero actual.

En la actualidad, dada la potencialidad de la industria azucarera, las plantas de azcar yderivados se estn convirtiendo en productores de energa, es decir, la energa pasa a ser un producto principal y deja de contemplarse como un subproducto. En los nuevosingenios azucareros, o en aquellos que se remodelan sobre todo desde el punto de vistaenergtico, se tienen en consideracin para el diseo de la planta de cogeneracin lossiguientes factores [Costa, 2008; Herrera, 2010]:

Utilizacin del bagazo slo, o bagazo ms paja de la caa como combustible. Parmetros de vapor. Altas presiones y temperaturas con bajo consumo de vapor por kW de electricidad producido. Reduccin de consumos internos de vapor de proceso en todo el ingenio azucarero. Electrificacin de los accionadores Conexin a la red pblica Operacin del ingenio azucarero slo en zafra, o fuera de zafra, para produccin deelectricidad con el bagazo sobrante. Uso de nuevas tecnologas.La tendencia actual es la de aumentar la eficiencia de todos

los equipos que intervienen en la produccin y utilizacin de la energa, fundamentalmentela caldera y los turbogeneradores, lo que se resume segn [Costa, 2008]: Parmetros de vapor por encima de 85 bares y 500 C. Produccin de energa durante todo el ao o la mayor parte de l. En cuanto a las turbinas se estimula el uso de una sola turbina de gran tamao, decondensacin-extraccin y con labes de reaccin, en vez de dos unidades, una decontrapresin con extraccin y otra de condensacin, trabajando a 92 bares y 530 C.Lasiguiente tabla, compara los anteriores esquemas de cogeneracin en cuanto a consumoespecfico de vapor/kW y energa elctrica generada en MWh/ao [Costa, 2008]:

Tabla 3. Comparacin entre los diferentes esquemas de cogeneracinPresin, bar 21 42 65 > 90 Temperatura, C 300 400 490 > 500 Consumo especifico, kg vapor/kW 12,5 7,8 5,7 4,74 Energa generada, MW/ao 38 400 61 500 84 200 101 300 Incremento de generacin, % X X + 60 X + 200 X + 260

No obstante, las bondades de la generacin y cogeneracin examinadas anteriormentecon altas presiones y temperaturas de vapor, turbogeneradores de condensacinextraccin y gran tamao, el rendimiento del ciclo Rankine es muy malo. Por ejemplo, conturbina y bomba de buenos rendimientos internos (cercanos a 85%), un ciclo de Rankinedifcilmente supera 30%. Introduciendo mejoras como el sobrecalentamiento, elrecalentamiento y la adecuada eleccin de las temperaturas y presiones de inicio ytrmino de expansin, los ciclos de Rankine modificados pueden llegar a tener


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rendimientos cercanos a 40% [Monsalve, 2008].

Para obtener rendimientos ms altos, se hace necesaria la incorporacin de la tecnologade ciclo combinado, en la que se realiza la generacin, mediante gas primero (turbina degas), y mediante vapor en forma paralela e integrada, en una segunda etapa. De la mismamanera, el gas de sntesis obtenido de la biomasa, podra ser tratado y convertido aetanol. Ambos procesos no estn disponibles todava a escala comercial, an cuando lagasificacin ya ha sido realizada a escalas piloto y demostrativa [Yanagihara].

Fig. 10. Esquema y diagrama T vs. S para un ciclo combinado.

Tomando la expresin de eficiencia trmica terica mxima para cualquier mquinatrmica, hacemos un anlisis comparativo sencillo entre el ciclo Rankine y el ciclocombinado, partiendo de las siguientes condiciones: 1 100 C de temperatura decombustin del bagazo, en el ciclo Rankine se obtiene vapor en la caldera a 520 C, y secondensa a 70 C, temperatura de salida de la turbina de gas es de 520 C (se consideraigual al del ciclo Rankine, lo cual no es cierto, pues no se pierde tanto calor en una turbinade gas), y 20% de prdidas en la caldera de recuperacin que genera vapor a 400 C, con70 C en el vapor condensante, se tiene [AADECA, 1994; Lesme]:

Ciclo Rankine: (1 - (70 + 273) / (520 + 273)) * 100 = 56,7% Ciclo combinado: (1 - (550 + 273) / (1100+273)) + (80 / 100)*((550 + 273) / (1 100 +273))*(1-(70 + 273) / (400 + 273)) = [0,40 + 0,23] = 0,63 = 63,0%

Del anlisis anterior se desprende que an imponindole al ciclo Bryton del ciclocombinado, las prdidas de calor del ciclo Rankine, que no son ciertas, ste siempretendr como mnimo 10% de eficiencia por encima del Rankine. Un anlisis ms precisose hubiera realizado con las expresiones de eficiencia de cada ciclo, con suscaractersticas. Por lo general, las diferencias entre ambos son muchsimo mayores.

Conclusiones

1. Inobjetablemente, el bagazo de la caa de azcar tendr siempre un valor de usomucho mayor como combustible directo, que como materia prima para la produccin deetanol.


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2. La tendencia futura es la de lograr establecer, de manera econmica y a mayor escala,la tecnologa de gasificacin de los materiales lignocelulsicos en general, y del bagazode caa en particular, con la que se lograrn eficiencias mucho mayores en la produccinde electricidad a partir de biomasa.

3. Sera de gran utilidad, an con el ciclo Rankine mejorado (altas presiones ytemperaturas, entre otras mejoras), adicionar los residuos de la cosecha caera (RAC)tratados mecnicamente y mezclados con el bagazo, para incrementar la capacidad degeneracin de electricidad, y las ventas a la red durante y fuera de zafra.

4. El rendimiento actual de la tecnologa de obtencin de etanol de biomasa a partir dehidrlisis, tanto cida como enzimtica (186 L de etanol/t de bagazo), as como losrendimientos mximos posibles que se vislumbran con esta tecnologa (~ 300 L deetanol/t de bagazo), no superan en valor energtico las posibilidades de generacin deenerga elctrica y trmica, a partir de la combustin directa de este material, con lastecnologas de cogeneracin actuales, y mucho menos con la utilizacin de los cicloscombinados.

5. La generacin de energa elctrica a partir de bagazo, puede servir, adems, para laventa de crditos de carbono, por evitar la emisin de gases de efecto invernadero, con loque se logra la reevaluacin de su uso como combustible limpio.

6. La gasificacin del bagazo y la utilizacin de los ciclos combinados de generacin ycogeneracin, unido al establecimiento a escala comercial de la utilizacin del gas desntesis para la produccin de etanol, podran, dada la eficiencia de ambos, permitir compromisos de generacin elctrica y de obtencin de etanol, con balances econmicosadecuados.

7. Independientemente a la afirmacin anterior, slo se podra pensar en la utilizacin delbagazo para la produccin de etanol, en pases con disponibilidad de otros recursosenergticos para la generacin y cogeneracin de electricidad, y con grandes reservas dehidrocarburos, que necesiten de grandes cantidades de etanol para la oxigenacin de susgasolinas, o su uso como combustible lquido para cumplimentar el Tratado de Kyoto, ode otros que, sin adecuadas reservas de combustible, posean grandes parques

automotores. No obstante, tendran que ser insuficientes las posibilidades de obtencinde este combustible por los mtodos tradicionales. Este caso podra ser por ejemplo, elde Venezuela, EE.UU. y Brasil, aunque ste ltimo requiere mayor potencialidad hacia lageneracin de electricidad, que hacia la produccin de etanol [BNDES, 2008].

Recomendaciones

1. Realizar estudios de factibilidad tcnico-econmicos que ayuden a establecer adecuadamente los usos ms racionales del bagazo en cada caso particular.

2. Acelerar los estudios de ingeniera para la solucin de los problemas que impiden elestablecimiento a gran escala de la gasificacin del bagazo, y de los ciclos combinadosde generacin y cogeneracin.

3. Establecer los mecanismos para lograr la utilizacin de los RAC junto al bagazo, en lageneracin y cogeneracin, lo que incrementar las capacidades actuales.

4. Para lograr la introduccin adecuada de los RAC debern estudiarse las distanciasmximas de recoleccin de los mismos, que actualmente se establece para lascondiciones cubanas en de 10 km del ingenio azucarero, aproximadamente; lostratamientos necesarios, as como el lugar de realizacin de los mismos para obtener lasmejores relaciones costo/beneficio.

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bagazo de caña de azúcar

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