3.er Trimestre 2009 - N.o 9877

Bernardo Latorre Monteagudo1,Juan Rafael Ruano Martínez2

1 Universidad Politécnica de Valencia. E.T.S.I.Agrónomos. Laboratorio de Biocombustibles.(E.T.S.I. Montes, UPM). Ingeniero de Montes.blatorre@tragsa.es

2 Universidad Politécnica de Valencia. E.T.S.I.Agrónomos. Dpto. de Producción Vegetal.Ingeniero de Montes. Camino de Vera s/n.46071. Valencia. rruano@prv.upv.es

Se estudian las principales características energéticas de labiomasa de Paulownia sp. obtenida de varios cultivos energéticos situa-dos en Moncada y Villar del Arzobispo (Valencia). Concretamente seestudian la humedad, poder calorífico y principales variables decombustibilidad. El objetivo pretendido es llegar a presentar lainfluencia que varios clones de la especie Paulownia pueden tenercomo fuente de materia bioenergética y fijador de CO2, convirtiéndoseen una alternativa para el desarrollo rural sostenible.R

ESU

MEN

Caracterización energéticade la biomasa de

Paulownia sp. procedentede plántulas cultivadas

de una savia

Caracterización energéticade la biomasa de

Paulownia sp. procedentede plántulas cultivadas

de una savia

Foto 1.- Elevada capacidad de rebrote de cepa de la especie (MEZZALIRA, G. 2005)

INTRODUCCIÓN

La especie Paulownia es poco co-nocida en la flora española, aunquesu cultivo se está generalizando ca-da vez más en la Península. El géne-ro Paulownia pertenece a la familiaScrophulariaceae (SAN MIGUEL, A.1985), la cual tiene poca importan-cia económica, usándose práctica-mente solo como ornamental y me-dicinal. La única especie de dichafamilia con interés económico y quese cultiva comercialmente es la es-pecie Paulownia. Los manuscritosmás antiguos encontrados sobre elladatan del S. III a.C. y del S. XI, y ha-cen referencia a esta planta comoornamental en su país de origen,China (ZHU ZHAO-HUA et al.1986). El nombre del género es enhonor de la duquesa Anna Pavlovna(1795-1865), hija del Zar Pablo I deRusia. En Japón también es unaplanta muy extendida, hasta el pun-to de utilizarla en sus divisas mone-tarias (Foto 2).

El objetivo principal del estudioes presentar la importancia que va-rios clones de Paulownia sp. puedentener en el campo bioenergético;dada la escasa bibliografía referentea dicho campo, se ha decidido ca-racterizar energéticamente la espe-cie. Se piensa que el estudio de ca-racterización energética puede ayu-dar a que dicho vegetal forme partedel conjunto de especies que con-forman el campo de la bioenergía,campo que se perfila como una ac-tividad alternativa para el sectoragroforestal. Los problemas por losque atraviesa el sector podrían sermitigados, ya que los cultivos desti-nados a la producción de biomasacon fines energéticos representanuna alternativa para las tierras agrí-colas que puedan quedar margina-das para cultivos agroalimentariostradicionales como consecuencia dela aplicación de la PAC (PolíticaAgraria Común).

Los cultivos energéticos de carác-ter agrícola, ricos en azúcares, acei-tes o almidón, se están empleandoya de forma creciente, principal-mente para la producción de bio-combustibles líquidos enfocados altransporte, como el biodiésel y elbioetanol. La biomasa agroforestalresulta adecuada para estas aplica-ciones, aunque sus usos se centranen la producción de calor y electri-

cidad en centrales de distintos tipos(combustión, pirólisis y gasifica-ción). Como consecuencia de lo an-terior y teniendo en cuenta que lademanda de biomasa agroforestalpuede aumentar considerablementeen los próximos años, es por lo quepuede ser una buena alternativa acultivos marginales.

La buena adaptación de la plantaa los suelos y la climatología exis-tentes en algunas zonas de la Penín-sula, fundamenta el cultivo de Pau-lownia sp. a gran escala con el finde producir biomasa energética. Laelevada productividad, capacidadde rebrote de cepa (Foto 1), ausen-cia de enfermedades y menores ne-cesidades hídricas y de cuidadosculturales que otras especies bioe-nergéticas, conforman los argumen-tos principales para el empleo decultivos energéticos de Paulowniasp. como base para el suministro debiomasa a plantas de generacióneléctrica. Se estima preciso remar-car que la especie citada, durantelos 2-3 primeros años, se caracteriza

por su oquedad en el fuste, lo quereduce la posibilidad de establecerturnos de apeo muy cortos.

MATERIAL Y MÉTODOS

En base al objetivo fijado en el es-tudio, a continuación se detalla tan-to la metodología como el materialempleado para desarrollar la carac-terización energética de los princi-pales clones de Paulownia sp. Paraello se ensayan los parámetros co-rrespondientes a la humedad, podercalorífico y principales variables decombustibilidad de las muestras to-madas en campo.

Como se cita anteriormente, se haexperimentado con muestras de ma-dera, tomadas a una altura que osci-la entre 0,3 y 1,3 metros (Foto 3). Seensayan los principales clones quese comercializan en España: Paulow-nia elongata, P. elongata x fortunei yP. tomentosa. La totalidad de los en-sayos energéticos se han efectuadoen el Laboratorio de Biocombusti-bles (Cátedra de Termodinámica yMotores de E.T.S.I. Montes, UPM).Las plantaciones de las que se obtu-vo la biomasa para este estudio decaracterización energética, están si-tuadas en los municipios de Monca-da (UTM. X: 723778; Y: 4384953) yVillar del Arzobispo (UTM. X:688191; Y: 4395929), pertenecientesa la provincia de Valencia.

En la Tabla 1 se muestran las prin-cipales propiedades de los biocom-bustibles sólidos que condicionan sucomportamiento energético (MAR-

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Propiedad Unidad de medida

Humedad %Densidad kg/dm3

Composición química %Poderes Caloríficos kcal/kg, kJ/kg

Tabla 1.- Principales propiedades que condicionan el aprovechamientoenergético de los biocombustibles sólidos forestales (MARCOS, F. 2007)

Foto 2.- Paulownia sp. como estandarte asiático(ZHU ZHAO-HUA et al. 1986)

Densidad (kg/dm3)

Hum. 10% Hum. 15% Hum. 12%0,290 0,260-0,330 0,240

Tabla 2.- Densidad de la madera de Paulownia sp. (GONZÁLEZ et al. 2003)

COS, F. 2007). Desde el punto devista energético, la humedad es unapropiedad física que influye sobreotras variables físicas y químicas.Junto a la especie, es la propiedadque más incide en el poder calorífi-co. Se estima oportuno reseñar quetransportar biomasa húmeda suponetransportar agua innecesariamente.Se puede medir en base húmeda ybase seca. En los ensayos correspon-dientes a la obtención de humedad ypoder calorífico, se ha utilizado bio-masa proveniente de madera y corte-za (diferente composición química).Teniendo en cuenta que las hojasprovocan una combustión defectuo-sa, ya que están compuestas por ele-mentos perjudiciales que suelen apa-recer como cenizas, se apartan lashojas y ramas menores en el suelo,para que se incorpore como materiaorgánica. Para obtener la humedadde las muestras que se desean ensa-yar se ha seguido la metodología tra-dicional utilizada por los investiga-

dores del Laboratorio de Biocombus-tibles. La densidad de la madera de-pende de la humedad. Se mide de-terminando la masa por pesadas y elvolumen por inmersión en agua ométodos geométricos. En el presenteestudio no se han efectuado ensayosde densidad, pero dada la importan-cia que supone, se han extraídos da-tos bibliográficos (Tabla 2), con ob-jeto de tener referencia de uno de

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Foto 3.- Biomasa empleada en los ensayos de caracterización energética (P. tomentosa )

Elemento químico (%)

C H S O N49,50 6,40 0,02 44,40 0,24

Tabla 3.- Composición química de la Paulownia sp. (KASAMAKI, P. 2007)

Foto 4.- Conexión de la probeta en el obús. Labo-ratorio de Biocombustibles. ETSI. Montes.Madrid

Foto 5.- Bomba calorimétrica (modelo IKA C4000). Laboratorio de Biocombustibles. ETSI.Montes. Madrid

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los parámetros más importantes queconforman las propiedades físicas delos biocombustibles sólidos y quecondicionan el comportamientoenergético.

El poder calorífico es una propie-dad que adquiere una gran relevan-cia en el estudio del comportamien-to energético de los biocombusti-bles sólidos de origen forestal y decualquier combustible en general.Se calcula mediante ensayos enbomba calorimétrica (Fotos 4 y 5).Obtenido el poder calorífico supe-rior en bomba calorimétrica y la hu-medad según el método tradicional,se obtiene el poder calorífico supe-rior anhidro y poder calorífico infe-rior, que es el que se emplea comoreferencia comparativa en estudiosrelacionados a otros biocombusti-bles sólidos. Los materiales emplea-dos en laboratorio para obtener elpoder calorífico y humedad han si-do: bomba calorimétrica adiabáticaautomática (modelo IKA C 4000),microprocesador Minichiller paracalentar o enfriar el agua que traba-ja en la bomba, martillo de tritura-ción, hilo clavecín (alambre de igni-ción), ácido benzoico, botellas deoxígeno industrial, estufa de 2 kW(200 ºC), balanzas de 0,1 g y de0,0001 g de precisión.

Para realizar los ensayos de pode-res caloríficos se emplea la Normaespañola UNE 23103:1978. Deter-minación del calor de combustión

de los materiales de construcciónmediante bomba calorimétrica. Estanorma regula este tipo de ensayo,determinando el poder calorífico alque denomina calor de combustión,normaliza el ensayo y el método decálculo que debe emplearse.

La composición química elemen-tal de la Paulownia sp. puede depen-der de la época de corta y si es dura-men o albura. La primera variaciónaparece sobre todo en maderas quecontengan resinas, gomas, taninos,mucílagos y otros extractos cuyoscontenidos varían con la época decorta (MARCOS et al. 2006). Los da-tos correspondientes a la composi-ción química elemental (Tabla 3) sehan obtenido de la bibliografía exis-tente (KASAMAKI, P. 2007).

Las principales variables de com-bustibilidad que se van a medir en elpresente estudio son el porcentajede cenizas, el cual está relacionadocon el contenido de cloratos; no seproduce de forma sistemática, peroa medida que aumentan las cenizas,aumentan los cloratos, y como esobvio, el cloro es un elemento co-rrosivo, extremo que afecta a la vidaútil y por consiguiente al rendimien-to de la caldera. Finalmente se estu-dia el tiempo (s) y temperatura decombustión (ºC), para ello se sigue elensayo normalizado según la normaISO 1182:02. Ensayos de reacción alfuego para productos de construc-ción. Ensayo de no combustibilidad.

Para realizar los ensayos (5 probetaspor clon) se ha precisado una balan-za de 0,0001 g de precisión, hornoISO de combustibilidad (450 ºC),termopares cromel-alumel y registra-dor multicanal electrónico de papelcontinuo.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el apartado que nos ocupa sevan a presentar los resultados obte-nidos (Tabla 4), así como su discu-sión, en los diferentes ensayos rea-lizados en el estudio, acorde conla metodología aplicada para sudesarrollo.

La humedad de corta es baja, lle-gando a alcanzar valores del 46% enbase seca. Cuando se realizan losensayos de poder calorífico en labo-ratorio, la humedad es menor, entre28-30% en base húmeda. Por razo-nes económicas es conveniente re-ducir la humedad de la biomasa dePaulownia sp. hasta, como mínimo,el 25% en base húmeda.

La composición química elemen-tal de la madera de Paulownia sp.,según trabajos realizados en el Cen-tro de Investigaciones Energéticas,Medioambientales y Tecnológicas(CIEMAT) por P. KASAMAKI (2007),es la que se recoge en la Tabla 3. Te-niendo en cuenta los datos citadosse puede afirmar que la biomasa dePaulownia sp. contiene muy poco

Hum Ph (%) Hum Ps (%)

Clon Madera Corteza Madera CortezaP. elongata 30,16 29,45 43,53 41,76P. elongata x fortunei 28,46 28,76 39,82 41,09P. tomentosa 30,84 31,24 44,78 45,79

PCS0 (kcal/kg)

Madera Corteza

P. elongata 4225,14 4327,10P. elongata x fortunei 4211,06 4328,19P. tomentosa 4378,88 4409,57

Cenizas (%)

P. elongata 1,88P. elongata x fortunei 2,09P. tomentosa 1,98

Tabla 4.- Resultados obtenidos en los ensayos de caracterización energética (elaboración propia)

azufre y nitrógeno (elementos res-ponsables del origen de cenizas fusi-bles). Según la bibliografía consulta-da, la madera de Paulownia sp. tieneuna densidad que oscila entre0,240-0,330 kg/dm3, para una hu-medad de medida (base húmeda) de10-15%. Analizando los resultados,la densidad es baja si la compara-mos con otras especies como el cho-po y el eucalipto.

Para obtener el poder calorífico seensayaron 6 probetas por cada clonestudiado, obteniendo valores (paraPCS0) comprendidos entre 4.200-4.400 kcal/kg, donde el valor pro-medio es de 4.272 kcal/kg (Gráfico1). El valor esperado, teniendo encuenta la composición química dela madera de Paulownia sp. y apli-cando la fórmula de Dulong-Petit ci-tada por KOLLMANN (modelo em-pírico), es de PCS0= 8.100 c +34.000 (h-o/8) + 2.500 s = 4.322,8kcal/kg (donde c, h, o y s son el tan-to por uno en carbono, hidrógeno,oxígeno y azufre). Las citas de KA-SAMAKI (2007) dan valores del po-der calorífico superior de 4.300

kcal/kg. En el Gráfico 2 se represen-ta la relación entre el poder calorífi-co inferior obtenido, referido a sushumedades en base húmeda, resul-tando satisfactorio el dato referido aR2, teniendo en cuenta que el tama-ño de la muestra (nº de probetas) noes elevado. Por último los valores re-feridos al poder calorífico inferioroscilan entre 3.800-4.000 kcal/kg.No es objetivo específico del estudiocomparar las características energéti-cas de la especie estudiada con re-sultados obtenidos en diferentes es-pecies forestales, pero sí se creeconveniente citarlos con el objeto desituar energéticamente la especie es-tudiada, dada la escasa bibliografíaque existe al respecto. Es por ellopor lo que en el Gráfico 3 se puedeobservar que los PCI obtenidos sonligeramente superiores a los obteni-dos con especies que actualmente seestán ensayando en el norte de laPenínsula (ORTIZ, L.; ALONSO, B.;2005).

El análisis de cenizas (%) nospermite determinar con suficienteprecisión la cantidad de residuos

acumulados en las calderas tras lacombustión de la biomasa. La ma-yoría de los cultivos energéticos ge-nera un porcentaje de cenizas queoscilan entre un 3-5%, dato que laPaulownia sp., a pesar de conside-rarse cultivo energético, no supera,como se puede comprobar en la Ta-bla 4. Los resultados obtenidos sesitúan en torno al 2%. Según KASA-MAKI (2007) oscilan entre 1,1-1,5%. En el Gráfico 4 se puedenapreciar los resultados obtenidostras realizar el mismo ensayo conbiomasa de diferentes cultivos ener-géticos (ORTIZ, L.; ALONSO, B.;2005).

El tiempo de combustión ha sidovariable, dependiendo fundamental-mente de la humedad de la probetaensayada. A mayor humedad mayortiempo de combustión. El tiempomedio de combustión se sitúa entre10 y 20 segundos, con un valor pro-medio de 15 segundos. La tempera-tura de combustión ha sido en todoslos ensayos superior a los 240 ºC einferior a los 275 ºC, permaneciendoel horno a una temperatura de 425ºC en la mitad de los ensayos y a450 ºC en la otra mitad de los ensa-yos.

CONCLUSIONES

A tenor de los resultados obteni-dos en el estudio experimental yanalítico de caracterización energé-tica de biomasa procedente de Pau-lownia sp. durante el primer periodode crecimiento, se establecen las si-guientes conclusiones:

La humedad obtenida en los en-sayos resulta muy baja, lo que po-dría inducir a afirmar que reducir lahumedad de la biomasa de Paulow-nia sp. no cuesta en exceso. Pero es-ta conclusión sería errónea, debidoa que reducir la humedad de bioma-sa en pequeñas cantidades no supo-ne un esfuerzo elevado, pero habríaque realizar la comprobación concantidades mayores. En cuanto altiempo de combustión, remarcar quea la humedad recibida, el tiempoque tarda en arder es bajo.

En cuanto a los ensayos sobre elpoder calorífico de la biomasa, sehan obtenido resultados satisfacto-rios, debido a que el promedio delpoder calorífico inferior (PCI) de losdiferentes clones ensayados se sitúa

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Grafico 1.- Poder Calorífico Superior de los diferentes clones de Paulownia sp. (elaboración propia)

Gráfico 2.- Relación entre Poder Calorífico Inferior y % Humedad en base húmeda (elaboración propia)

ligeramente sobre los resultados ob-tenidos en especies muy consolida-

das en el campo de los biocombusti-bles (Pinus pinaster, Pinus radiata,

Eucalyptus globulus, etc.). El clon P.tomentosa posee el mayor poder ca-lorífico de los clones ensayados; lesiguen los clones P. elongata y P.elongata x fortunei.

Los porcentajes de cenizas obte-nidos han sido bajos. Dicho resulta-do indica que la cantidad de resi-duos generados tras la combustiónes muy baja; consecuentemente, elrendimiento de la caldera no se veráafectado.

Los principales inconvenientesextraídos durante el proceso de estu-dio descrito se fundamentan en losresultados referidos a la baja densi-dad de la madera, a las humedadesindicadas y a la peculiaridad decontener oquedades en el fuste du-rante los primeros años de creci-miento.

Por último, tras realizar los ensa-yos de caracterización energética yanalizar los resultados obtenidos, sepuede afirmar que la biomasa gene-rada por los diferentes clones ensa-yados de la especie puede ser aptapara su utilización en el campo de labioenergía, específicamente comobiocombustible sólido. No obstante,y a pesar de los resultados obteni-dos, sería necesario continuar inves-tigando sobre la especie, con el ob-jeto de que el cultivo de Paulowniasp. se considere como una posiblealternativa para el desarrollo ruralsostenible. `̀

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Gráfico 3.- Poder calorífico inferior de varias especies forestales (ORTIZ, L. y AlONSO, B. 2005 y elabo-ración propia)

Gráfico 4.- Porcentajes de cenizas de varias especies bioenergéticas (ORTIZ, L. y AlONSO, B. 2005 yelaboración propia)