CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA DE LA BIOMASA DE CHOPO (Populus x euramericana I-214). Francisco Marcos Martín, Ricardo García Díaz, Fernando García Robredo (*), Miguel Godino García, Iván Relova Delgado, y Santiago Villegas Ortiz de la Torre. Departamento de Ingeniería Forestal. (*) Dpto. de Economía y Gestión Forestal. ETSI de Montes - EUIT Forestales. Univ. Politécnica de Madrid Cdad. Universitaria s.n. 28040 Madrid Tfno: 91-3367120. Fax: 91-5439557. [email protected] RESUMEN Tras una introducción en la que se describen los cultivos energéticos forestales en Estados Unidos, Europa, Japón, Brasil y España se presenta un cultivo energético chopo (Populus x euramericana I-214) a turnos muy cortos (dos años), y muy altas densidades de plantación (más de 33.000 pies/ha). A continuación, se estudian las principales características energéticas de la biomasa de chopo obtenida en este cultivo. Las características energéticas estudiadas han sido divididas en físicas y químicas. Las físicas que se han considerado han sido la humedad y la densidad. Las químicas han sido la composición química elemental, los poderes caloríficos (superior, inferior y superior anhidro), las variables de combustibilidad, las variables de inflamabilidad, el porcentaje de cenizas y densidades energéticas. PALABRAS CLAVE: Energía, turnos muy cortos. Mesa temática 9: Tecnología e industrialización de los productos forestales. 1. INTRODUCCIÓN Los actuales precios del petróleo están ocasionando que la búsqueda de energías renovables sea cada vez más importante, sobre todo en los países como España que apenas disponen de petróleo y gas natural (IDAE, 2000). Por este motivo, los cultivos de especies agrícolas y forestales para producir energía son cada día más importantes. Estos cultivos también pueden servir para fijar la población rural, contribuyendo así a un desarrollo rural sostenible. Por otro lado, estos cultivos son fijadores de CO2 y la reciente aprobación en febrero de 2005 de la aplicación del protocolo de Kioto en España puede suponer, en el futuro, un ingreso económico importante para estos cultivos. Los cultivos energéticos leñosos han sido estudiados en todo el mundo. Emplean especies de crecimiento rápido como chopo, sauce y eucalipto y turnos muy cortos, con densidades de plantación superiores a 10.000 plantas/ha. En Estados Unidos destacan los estudios de BERGKVIST et al. (1998), HANSEN et al. (1991) y HEATH et al. (1995). En Canadá son interesantes los estudios de LABRECQUE et al. (1998) que añaden lodos de depuradora como abono. En Europa son reseñables los trabajos de DANFORS et al. (1998) y BULLARD et al. (2002). En España han sido estudiados por SAN MIGUEL Y MONTOYA (1984) y MARCOS et al. (1985, 2001a, 2001b).

2. MATERIALES Y MÉTODOS. Las principales propiedades físicas de la biomasa que condicionan su comportamiento energético, según MARCOS (2001a), son la forma, el tamaño, la humedad y la densidad. Si se aprovecha como leña, al biomasa de chopo tiene una forma cilindro-cónica más o menos curvada, con lo que arde deprisa, especialmente si el diámetro no es grande, la leña está seca y la densidad es pequeña (que lo es). El tamaño de las astillas es más homogéneo que el de las leñas por lo que se manipulan y transportan mejor que éstas. El tamaño y el volumen de los árboles serán estudiados mediante las tablas de cubicación. Las tablas de cubicación estudiadas son para árboles individuales y obtienen el volumen del árbol con corteza. Presentan el inconveniente de ser muy particulares (para una especie concreta y un lugar concreto). Se han realizado con 250 árboles tipo del clon citado en una plantación energética situada

en Cabrerizos (Salamanca), a turnos de 2 años y marco de plantación de 0,9m x 0,33m. En cada árbol tipo se realizaron 4 trozas, de las que se midió su circunferencia inferior y superior y su longitud. Se han analizado las fórmulas de cubicación más comunes, siguiendo la bibliografía consultada (CUEVAS, 1989) y se han aplicado métodos de regresión empleando el programa Statgraphics. Se han considerado como variables independientes la altura total (H), el diámetro normal al cuadrado (D2) y el producto del diámetro normal al cuadrado por la altura total (D2H), y se han ajustado diferentes ecuaciones por regresión lineal: - Fórmula combinada simple: V = a + b (D2 H) - Fórmula combinada compleja: V = a + b (D2 H) + c (D2 H)2 - Fórmula australiana completa: V = a + b (D2 H) + c D2 + d H - Fórmulas australianas incompletas: V = a + b (D2 H) + c D2 V = a + b (D2 H) + c H La altura se ha medido en metros y el diámetro en centímetros. El volumen con corteza se obtiene entonces en m · cm2 = 10-1 dm2. La humedad es una variable física importante, desde el punto de vista energético, que además influye en otras variables, así, es la que más influye en el poder calorífico. Además transportar biomasa húmeda supone transportar agua. Se puede medir en base húmeda y base seca. En el laboratorio, para medir la humedad, hemos empleado una balanza de precisión (0,5 mg), otra balanza eléctrica menos precisa (precisión de 0,01 g), un calibre manual de 0,1 mm de precisión y una estufa de 2 KW de potencia que llega hasta los 200ºC. Las muestras fueron trasladadas en bolsas de plástico al laboratorio para que no perdieran humedad. La densidad depende de la humedad. La hemos medido en el laboratorio por dos métodos: 1.- Inmersión en agua. Empleamos una fina película de plástico autoadhesivo del que medimos su volumen, a pesar de que era insignificante, e introducimos las muestras en un recipiente con agua. 2.- Método geométrico. Es útil debido a que las muestras eran prácticamente cilindros, a pesar de ello, para mejorar el ensayo fueron cubicadas como troncos de cono. Las principales propiedades químicas que caracterizan energéticamente la biomasa sólida (CAMPS y MARCOS, 2002) son la composición química y los poderes caloríficos. La composición química es importante para determinar el comportamiento energético ya que influye en el poder calorífico, en la composición de las cenizas y en la composición de los gases producidos en la combustión. El poder calorífico es una de las variables energéticas más importantes, se obtiene mediante ensayos en bomba calorimétrica. 3. RESULTADOS OBTENIDOS. Los resultados obtenidos, con 250 árboles tipo, tras aplicar la metodología apuntada en el epígrafe anterior han sido los siguientes: V = 422,4 + 38,212 (D2 H) V = 355,52 + 39,3 (D2 H) - 0,00351 (D2 H)2 V = 144,142 + 35,23 (D2 H) + 22,8 D2 + 36,61 H V = 372,21 + 36,794 (D2 H) + 12,818 D2 V = 395,151 + 38,1454 (D2 H) + 5,2793 H Ecuación V = a + b (D2 H) V = a + b (D2 H) + c (D2 H)2 V = a + b (D2 H) + c D2 + d H V = a + b (D2 H) + c D2 V = a + b (D2 H) + c H

R cuadrado 0,9462 0,9466 0,9463 0,9462 0,9463

Error standar 620,3 619,9 623,3 621,9 621,8

No es de extrañar el alto valor de R cuadrado obtenido en los cinco modelos pues los tronquitos de madera tienen una forma tronco cónica bastante exacta. La mejor ecuación resulta ser la

del tipo V = a + b (D2 H) + c (D2 H)2 , es decir: V = 355,52 + 39,3 (D2 H) - 0,00351 (D2 H)2 Estas tablas, a pesar de ser particulares (para una especie) y concretas (para un lugar concreto) son muy útiles pues ponen de manifiesto una metodología que puede ser empleada para evaluar la biomasa de cultivos energéticos de chopo como los considerados. La humedad de corta, recién cortado, es muy alta llegando a tener valores del 90% en base seca. Cuando realizamos los ensayos de poder calorífico en laboratorio la humedad ya era menor. La biomasa de chopo recién cortada tiene una densidad que depende de la humedad y disminuye rápidamente pues se seca, al principio, muy deprisa. Varía entre los 0,65 y 0,90 kg/dm3. Según RUEDA (1997) la densidad basal, es decir, la relación entre la masa y el volumen en el punto de saturación de la fibra, para los clones de chopo empleados en Europa Occidenteal es la siguiente:

Clon

Especie

Densidad basal g/cm3 0,400 0,390 0,385 0,375 0,375 0,375 0,370

Agathe F Robusta Gibecq Primo Blanc de Poitou I-MC Lux

Populus x euramericana Populus x euramericana Populus x euramericana Populus x euramericana Populus deltoides Populus x euramericana Populus x euramericana

I-45/51, I-262 Stella Ostigliese Gaver Bellini y Gattoni Alcinde Raspalje Luisa Avanzo

Populus x euramericana Populus x euramericana Populus deltoides Populus x euramericana Populus x euramericana

0,360 0,360 0,355 0,350 0,350 0,350 0,345

Ogy Triplo y Boelare Unal, Boccalari y Cima Dorskamp, Flevo y Ghoy Guardi y Beaupré Harvard

Populus x euramericana Populus x euramericana Populus x euramericana Populus x euramericana Populus x euramericana Populus deltoides

0,340 0,335 0,330 0,330 0,330 0,330

Trichobel I-488 y San Martino BL Costanzo y Carpaccio Onda Campeador Hunnengem I-214

Populus trichocarpa Populus x euramericana Populus x euramericana Populus deltoides Populus x euramericana Populus x interamericana Populus x euramericana

0,325 0,315 0,310 0,310 0,295 0,295 0,290

Los datos obtenidos en nuestros ensayos de laboratorio, para la biomasa (con corteza) de chopo I-214, utilizando los métodos antes señalados, nos han dado densidades comprendidas entre 0,385 kg/dm3 y 0,528 kg/dm3. Los resultados han sido: 1. Por inmersión. Se hicieron 3 ensayos en el laboratorio, el valor medio de los mismos fue de 0,4462 kg/dm3.

2. Por el método geométrico, que resultó ser más preciso que el anterior. Se hicieron 19 ensayos y se obtuvo un valor medio final de 0,3921 kg/dm3. seca.

El valor medio final ha resultado ser de 0,3768 kg/dm3 a una humedad media del 15% en base

La composición química elemental de la biomasa con corteza obtenida en nuestras parcelas de ensayo fue calculada por el CIEMAT, en Madrid, y obtuvo lo siguiente:

Elemento Carbono Hidrógeno Nitrógeno Oxígeno Azufre Cloro Total

% 49,200 6,300 0,330 44,130 0,020 0,015 99,995

La madera de chopo I-214 contendrá menos de 0,005% de sodio, potasio y otros elementos que originan cenizas fusibles. La composición química por compuestos químicos de 2 clones de P. x euramericana, entre ellos el I-214, de Montañana (Zaragoza) a 1,3 m y 6,5 m de altura (GARCÍA VALLEJO et all., 2001), es la siguiente: En % de madera seca de albura y de duramen P. x euramericana Canadá blanco Extracto en diclorometano Solubilidad en agua caliente Solubilidad en sosa Lignina Holocelulosa Cenizas

Albura 1,3 m 0,46 2,57 18,41 23,29 81,90 0,28

6,5 m 0,47 2,53 18,20 23,17 81,98 0,29

Duramen 1,3 m 6,5 m 0,35 0,41 2,12 2,17 16,48 16,46 22,00 23,20 82,04 81,01 1,44 1,55

En % de madera seca de albura y de duramen Pop. x euramericana. I-214 Extracto en diclorometano Solubilidad en agua caliente Solubilidad en sosa Lignina Holocelulosa Cenizas

Albura 1,3 m 0,48 2,51 17,63 22,89 83,97 0,35

6,5 m 0,48 2,61 18,72 23,44 83,79 0,33

Duramen 1,3 m 0,54 2,27 17,00 22,86 83,12 1,24

6,5 m 0,52 2,41 17,91 23,44 83,29 1,36

No existen muchos trabajos relacionados con el contenido en minerales de la biomasa de chopo I-214. Según GARCÍA VALLEJO et al. (2001) "la acumulación de componentes minerales en la madera tiene también una gran importancia ya que está relacionada con el movimiento de la savia, la actividad bacteriana y/o la formación de cristales que pueden dañar algunos utensilios metálicos durante el proceso industrial de la madera." Por tanto, un alto contenido en minerales y sílice encarece

el proceso de recogida, astillado y fragmentación de la biomasa por desgaste de las cuchillas. Según FUKAZAWA et al. (1985) con muestras de madera de dos clones de chopo japonés (Populus maximowiczii), tomadas a 0,3 y 1,3 m, los valores medios obtenidos fueron:

as o

Albura, ppm 680 300 44

Duramen, ppm 4267 4267 64

Calcio Sodio

Albura, ppm 44 36

Duramen, ppm 64 15

Las maderas a 1,3 m dieron, en general, contenidos más altos de cenizas, potasio y magnesio, y más bajos de calcio y sodio. Según RUEDA (1997) la composición química de las cenizas de chopo, por término medio, contienen los siguientes compuestos: Composición química de las cenizas de chopo % Compuesto Compuesto 49,2 P2O5 K2 O 1,6 Na2O3 SO3 CaO 23,7 SO2 13,7 MgO Mn2O3 1,1 Fe2O3

% 4,1 3,1 2,0 1,4

Ello indica que estas cenizas pueden ser empleadas como abono mineral debido a que contienen sodio, potasio, calcio, fósforo e hierro en forma de Na2O3,K2O, CaO, P2O5 y Fe2O3. El valor esperado del poder calorífico teniendo en cuenta la composición química de la madera de I-214 y aplicando la fórmula de Dulong-Petit es de: PCI0 = 8100·C + 34000 (H - -O/8) + 2500·S = 4.521,5 kcal/kg. Las citas de GIMENO PÉREZ (1989) dan valores del poder calorífico superior del Populus nigra L. comprendidos entre 4.449 kcal/kg (Fabricius y Gross) y 4.601 (Feher) kcal/kg. Este autor no cita, sin embargo, valores para el clon I-214. En nuestro laboratorio fueron ensayadas 26 probetas en una bomba calorimética automática IKA C-400, obteniendo valores (para el PCS0) comprendidos entre 4.510 y 4.720 kcal/kg. El valor medio obtenido ha sido de 4.618 kcal/kg. Por tanto, el valor final de PCS0 de 4.570 a 4.630 kcal/kg parece ser el más aceptable. CONCLUSIONES 1. La madera de chopo I-214 es apta como combustible debido a su poder calorífico, similar al de otras biomasas lignocelulósicas. 2. Debido a su bajo contenido en azufre y nitrógeno, por lo que su combustión origina muy pocos óxidos de azufre y de nitrógeno, resulta ser una biomasa de calidad. 3. Otra ventaja es que apenas origina cenizas fusibles, debido a que apenas contiene sodio y potasio. 4. Sus problemas para uso como combustible son la alta humedad en la corta y la baja densidad. El primero se soluciona con el secado y el segundo si se emplea en forma de pelets. BIBLIOGRAFÍA. BERGKVIST P., LEDIN S. 1998. Stem biomass yields at different planting designs and spacings in willow coppice systems. Biomass and Bioenergy 14(2):149-186. BULLARD MJ, MUSTILL SJ, MCMILLAN SD ET AL. 2002. Yield improvements through modification of planting density and harvest frequency in short rotation coppice Salix spp. 1. Yield response in two morphologically diverse varieties. Biomass and Bioenergy. 22:15-25. CAMPS MICHELENA M. Y MARCOS MARTÍN F. 2002. Los biocombustibles. Ed. Mundi-Prensa. Madrid.

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