Estudio sobre la Reconversión Energética para Beneficiadores de Café en El Salvador

Transcripción

1 Estudio sobre la Reconversión Energética para Beneficiadores de Café en El Salvador FUNDACIÓN PARA LA INNOVACIÓN TECNOLÓGICA AGROPECUARIA

2 Índice Actores involucrados en este estudio... 3 Resumen ejecutivo... 4 Antecedentes... 6 Desarrollo Sostenible... 6 Energía y Medioambiente... 7 Introducción... 9 Descripción del Sistema de Producción de Café en Beneficios del País Proceso de Beneficiado Húmedo Pesado y Tarado Clasificado Inicial por Densidad Despulpado Clasificación Fermentación Lavado Presecado y Secado Trillado Clasificado Empaque y Pesado Flujo de proceso de beneficiado de café Demanda de Energía Balance de Masa Balance Energético Limitaciones y Oportunidades Evaluación Energética en Beneficios Seleccionados Visitas a Beneficios Seleccionados para Evaluar la Actual Situación Energética Identificación de Oportunidades y Posibles Soluciones Puntos Críticos para Implementar Medidas de Eficiencia Energética Posibles Modificaciones en el Proceso de Producción para Aumentar la Eficiencia Global (Producción Más Limpia) Generalidades Sobre Costos de Inversión para Implementar Soluciones Oportunidades Económicas Bajo Mecanismos del Protocolo de Kyoto Oportunidades de generación de Energía Aplicables en Beneficios de Café Sistemas de Aprovechamiento de Productos Residuales Digestión Anaerobia Diferentes Tipos de Biodigestores Estimados de Costos de Inversión para Sistemas de Producción de Biogás Gasificación Sistemas de Cogeneración de Energía Motores de Combustión Interna con Recuperación de Calor Turbinas de Gas Microturbinas Turbinas de Vapor Potenciales Modelos de Producción Energética en Beneficios de Café Conclusiones y Recomendaciones Bibliografia Anexos Anexo A FORMULARIO TECNICO DE RECOLECCION DE DATA Anexo B POTENCIALES FUENTES DE FINANCIAMIENTO PARA PROYECTOS DE ENERGÍA RENOVABLES

3 Actores involucrados en este estudio FIAGRO, al tomar la misión de: Promover la innovación tecnológica para incrementar la productividad y competitividad de las empresas del sector agropecuario salvadoreño, con un enfoque basado en el manejo racional y sostenible de los recursos naturales ; ha tomado la iniciativa de apoyar técnicamente a la industria cafetalera de El Salvador creando un proyecto integral para la modernización del sector. Dentro de este enfoque, FIAGRO con la colaboración de beneficiadores privados, como UNEX, ATAPASCO y el de cooperativas como La Majada y Cuzcachapa entre otras, están trabajando juntos para aumentar la competitividad de la industria cafetalera del país a través de la búsqueda de soluciones y oportunidades para el uso eficiente de todos los recursos naturales y materiales que involucra el proceso de beneficiado del café. Además de los actores antes mencionados, Sun Energy, empresa dedicada a la producción y promoción de bioenergías en El Salvador, formó parte del presente estudio de investigación por medio de su papel de consultor especializado en el área de energías renovables. 3

4 Resumen ejecutivo El presente estudio tiene como objetivo principal identificar potencialidades para la reconversión energética y de producción de energía en el sector cafetalero utilizando principalmente los subproductos del proceso de beneficiado del café. En este sentido, la Fundación para la Innovación Tecnológica Agropecuaria (FIAGRO), ha propuesto desarrollar el proyecto denominado: PROYECTO DE RECONVERSIÓN ENERGÉTICA PARA LA INDUSTRIA CAFETALERA. Con el que se espera, además de incentivar la modernización del sector, promover el aprovechamiento de oportunidades económicas a través de Mecanismos de Desarrollo Limpio (MDL) establecidos durante la creación del Protocolo de Kyoto. Para llevar a cabo este estudio se procedió a realizar visitas técnicas en varios beneficios de café localizados principalmente en la parte occidental del país. Durante estas visitas se obtuvo información que luego fue procesada para realizar aproximaciones con respecto a los volúmenes de subproductos (cascarilla, pulpa, aguas mieles, etc.) generados durante la temporada de producción (beneficiado) de café en los diferentes beneficios visitados. Además de esto, se evaluaron diferentes tecnologías potenciales que podrían ser utilizadas en la generación y cogeneración de energía utilizando los subproductos de la industria cafetalera del país. Dentro de este contexto, después de analizar toda la información disponible, se procedió a crear varios modelos de producción energética que podrían ser implementados en algunos de los beneficios de café visitados o en cualquier otra industria que genere desechos orgánicos similares a los estudiados en este trabajo de investigación. A continuación se presentan algunos de los principales datos producidos durante el desarrollo de este estudio. 4

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6 Antecedentes Desarrollo Sostenible Según estudios recientes del World Wide Fund for Nature (WWF) en Washington D.C., USA, si globalmente continuamos demandando y consumiendo los recursos naturales y materiales al paso que actualmente lo hacemos, para el año 2050, se necesitarán los recursos de dos planetas tierra para poder suplir los insumos necesarios que nuestra sociedad global demande. Dentro de este contexto mundial, en el que El Salvador está obviamente incluido, se necesita seriamente, como país, tomar las decisiones correctas que nos permitan movernos dentro del marco del desarrollo sostenible. El concepto general del desarrollo sostenible puede tener varias interpretaciones por diferentes personas en diferentes contextos; sin embargo, el concepto que es mas comúnmente citado es el suscrito durante la reunión de la Comisión Mundial del Medio Ambiente y Desarrollo realizada en Esta proclama: Desarrollo Sostenible es el desarrollo que cumple con las necesidades y aspiraciones de las presentes generaciones sin comprometer la habilidad de futuras generaciones de cumplir con sus propias necesidades. El desarrollo sostenible está enfocado en mejorar la calidad de vida de todos los seres humanos de este mundo globalizado en el que vivimos, sin que esto signifique un incremento desmesurado en la utilización de recursos naturales no renovables. En este sentido, entre los recursos no renovables de mayor consumo a escala mundial son los combustibles fósiles (carbón, gasolina, diesel, gas natural, etc.) formados hace millones de años. Con esto en mente, durante el siglo recién pasado, la utilización masiva de combustibles fósiles facilitó notablemente el desarrollo de pequeñas y grandes industrias, sustituyendo a otras fuentes de energía comúnmente usadas en ese tiempo como la madera y el agua. Sin embargo, a pesar que la utilización de combustibles fósiles ha mejorado sustancialmente la calidad de vida de millones de personas alrededor del mundo, su uso masivo y excesivo ha traído consigo serios problemas locales y globales de índole económico, social, medioambiental y geopolítico. Debido a todo lo expresado con anterioridad, es imperativo que El Salvador base su crecimiento en los principios fundamentales del desarrollo sostenible; solo de esta forma estaremos asegurando que las futuras generaciones reciban una mejor calidad de vida. 6

7 Energía y Medioambiente Para el caso particular de El Salvador, la situación energética no es muy alentadora y la situación se agudiza más debido a la inestabilidad de los precios internacionales del petróleo. En este sentido, es poco, por no decir nada, lo que El Salvador puede hacer para influenciar temas energéticos globales. Sin embargo, es mucho lo que se puede hacer a nivel de país para descubrir y desarrollar fuentes alternas de energía basadas en recursos renovables y en la utilización de subproductos y desechos municipales. De acuerdo a datos de la Agencia Internacional de Energía (IEA, 2005), aproximadamente el 40% de la electricidad que se produce en el país se deriva de los combustibles fósiles (ver detalles en Tabla 3a). Sumado a esto, es preciso recordar que El Salvador es completamente dependiente de recursos petroleros extranjeros vitales para el sector transporte. Además, se debe de tener muy presente que todos los ciudadanos del país directa o indirectamente subsidian el gas propano que se consume masivamente en El Salvador. Ver otros datos de interés a continuación. Recursos Hidroeléctrico 1, ,667.0 Geotérmico Térmico 1, ,831.6 Importaciones netas Total de Inyecciones 4, ,782.3 Tabla 3.2a. Inyecciones a la Red Eléctrica por Tipo de Energía, ( GWh) Sector LPG Gasolina Jet Kerosene Otro Tipo de Kerosene Diesel Otros Tipos de Aceite Industrial 14,538,000 4,119, ,017,200 20,202,600 68,043,600 Transporte 0 159,162,500 25,725, ,785,300 0 Residencial 64,451, ,405,000 2,142, ,600 Total 78,989, ,282,000 25,725,200 10,422, ,130,600 68,320,200 Tabla 3.2b. Consumo Anual de Combustibles en El Salvador 2004 (galones) 7

8 Sector Electricidad (GWh) Industrial 1,757 Transporte 0 Residencial 1,749 Comercio y Servicios Públicos 626 Agricultura / Forestal 82 Total 4214 Tabla 3.2c. Consumo Anual de Electricidad por Sector en El Salvador 2004 Analizando rápidamente el escenario energético presentado con anterioridad, claramente se puede apreciar que uno de los sectores más afectados por los altos precios de la energía es el sector industrial. En este sentido, el sector industrial necesita aumentar su competitividad y encontrar de forma inmediata la manera de reducir su factura energética a través de la implementación de medidas que conlleven a minimizar la utilización de recursos naturales y materiales. Dentro de este marco contextual, existen varias formas de lograr una notable reducción en el uso de recursos, entre las cuales podemos mencionar: Producción más Limpia (P+L); conservación de energía; reciclaje; eficiencia energética y la utilización de residuos para la producción de energía entre otras. Estas dos últimas de suma importancia para el presente estudio, ya que, como se mencionó con anterioridad, existe el potencial de generar energía utilizando subproductos de las diferentes industrias de nuestro país; pero específicamente para este estudio, existe el gran potencial de generar energía utilizando subproductos del sector cafetalero del país. Además de lo anterior, se tiene que tener presente la deteriorada situación medio ambiental que existe actualmente en El Salvador, y debido a esto, entre otras cosas, es imperativo que seriamente se establezcan leyes específicas que incentiven la producción de fuentes de energía renovable. Para el caso puntual del presente estudio, sería extremadamente beneficioso crear leyes que manden un pago preferencial cuando se inyecta a la red energía eléctrica proveniente de recursos renovables (energía eólica, solar, biomasa, geotérmica, micro-hidráulica); tal como se hace exitosamente en varios países de Europa y en algunos lugares de Estados Unidos. De esta forma se estaría ayudando a reducir grandemente la contaminación a través de emisiones que usualmente son generadas por las energías basadas en recursos fósiles. 8

9 Introducción El presente estudio tiene como objetivo principal identificar potencialidades para la reconversión energética y de producción de energía en el sector cafetalero utilizando principalmente los subproductos del proceso de beneficiado del café. Este estudio forma parte de un proyecto mayor denominado: PROYECTO DE RECONVERSIÓN ENERGÉTICA PARA LA INDUSTRIA CAFETALERA que ha sido creado por la Fundación para la Innovación Tecnológica Agropecuaria (FIAGRO). FIAGRO a través de su experiencia y contactos dentro del sector cafetalero ha dimensionado la importancia que tiene este sector, no solo dentro de la economía de El Salvador, sino también en el aspecto social y ambiental de todas las regiones productoras de café de nuestro país. En este sentido, FIAGRO contactó a varios beneficiadores de café en diferentes regiones del país para explorar la posibilidad de que los mismos formasen parte de este estudio de investigación. FIAGRO, habiendo recibido expresiones de interés para participar en el estudio por algunos beneficios contactados, procedió a realizar visitas de campos con el consultor contratado para intimar mas sobre los distintos procesos de producción que se utilizan en estas industrias y al mismo tiempo conocer de cerca los tipos de sistemas y el estado actual de los equipos que consumen algún tipo de energía; ya sea electricidad, calor o combustible de cualquier tipo. A continuación se detallan los beneficios visitados durante la fase de recolección de información y sus respectivos datos aproximados de procesamiento para la cosecha Empresa Visitada Estimado Anual de Producción Cosecha (qq/año) UNEX S.A. de C.V. 240,000 Cooperativa Cuzcachapa de R.L. 140,000 Cooperativa San Jose de La Majada de R.L. 100,000 ATAPASCO S.A. de C.V. 60,000 Tabla 4. Beneficios Visitados Durante la Fase de Recolección de Datos Después de llevar a cabo las visitas de campo, se procedió a entregar a cada beneficio un formulario técnico para obtener datos más puntuales sobre los flujos de masa y energía experimentados durante el periodo que dura la cosecha (ver formulario técnico en la sección de anexos). Sin embargo, por diversas razones fue 9

10 imposible obtener información de todos los beneficios visitados dentro del periodo estipulado para esta tarea. Debido a esto, se procedió a incorporar datos de otros estudios similares al presente, y con esta información se pudo elaborar un diagnóstico más detallado sobre los puntos críticos encontrados dentro de los procesos de producción del café; los cuales podrían ser analizados más a profundidad en una eventual auditoría energética a realizarse en los beneficios visitados. Descripción del Sistema de Producción de Café en Beneficios del País Como se pudo constatar en las visitas realizadas a diferentes beneficios del país y a través de la literatura consultada, el proceso de beneficiado húmedo de café en El Salvador es prácticamente similar al encontrado en la mayoría de los países del área centroamericana. En este aspecto, y éste consta básicamente de los siguientes pasos: recepción, clasificación, despulpado, fermentación, lavado, presecado y secado, trillado, clasificado, empaque y almacenamiento. No obstante, se encontró que algunos beneficios presentan ligeras variaciones en sus procesos de producción ya que estas se adecuan a variables específicas (clima local, infraestructura, equipos, etc.) propias de cada empresa. En las siguientes secciones se detalla el proceso de beneficiado húmedo en el país. Además, en la sección de anexos se podrá encontrar la siguiente descripción del beneficiado de café con ilustraciones. Proceso de Beneficiado Húmedo Pesado y Tarado El café maduro, recién cortado, denominado Café Uva, llega al beneficio en camiones, los cuales son pesados en una báscula, primero con la carga de café, y luego son pesados sin la carga de café, la resta de los dos pesos (Tarado), es el peso real del café recibido. Clasificado Inicial por Densidad El café se recibe de los camiones en tanques o sifones húmedos, en los cuales, el café es transportado por medio de una corriente de agua, hacia el fondo del tanque, para luego pasar hacia la tolva de separación de flote, en la cual el flujo se separa en dos partes: el café con el peso adecuado o de primera, pasa hacia los pulperos, y el café que flota o de segunda, sigue el mismo proceso; pero a parte o es enviado a un patio aledaño. 10

11 Despulpado Por medio de una bomba el flujo de agua lleva el café hacia los pulperos, en los cuales se fricciona para separar la cáscara y la pulpa del grano, usando agua para facilitar esta tarea y para transportarlo hacia las cribas. Clasificación El café despulpado llega hacia las cribas, en las cuales se clasifica el café, separando nuevamente el flujo en dos: primero el café que atraviesa la superficie de la criba, se dirige hacia el flujo de café secundario, y segundo el café que corre sobre la criba se dirige hacia las pilas de fermentación. Fermentación El café se deposita en pilas, para la eliminación de mucílago (baba o miel presente en el grano de café uva) esto se logra mediante fermentación, que puede ser natural o acelerada por medio de alguna enzima, para luego pasar al proceso de lavado. Lavado El café se hace pasar muy cuidadosamente por lavadoras en forma de canal, el café resultante hasta este punto se le denomina café pergamino húmedo, debido a que todavía lo envuelve una película llamada cascarilla, además estas lavadoras poseen una tolva para clasificar nuevamente el café por densidad, pasando el café de primera a secado mecánico, y el café de segunda a secado en patio. Presecado y Secado El café pasa por máquinas presecadoras y secadoras, para reducir su humedad, por medio de un intercambio de calor con aire caliente generado por calderas, en estas máquinas, el café desciende por gravedad entrando en contacto en contracorriente con el flujo de aire caliente, el resultado es lo que se denomina café pergamino seco, el cual generalmente se almacena en sacos o en algunos casos en silos metálicos, para luego transportarse hacia el trillado. Trillado El café se hace pasar por las trilladoras, estos equipos realizan el proceso de separar la cascarilla del grano de café, resultando el café oro, la cascarilla es entonces transportada hacia una bodega para su posterior uso como combustible 11

12 en calderas y hornos. Clasificado El café oro pasa por diferentes tipos de clasificado: por tamaño, por densidad y por color, esto se realiza por medio de máquinas neumáticas y electrónicas, además de una selección y limpieza final a mano. Empaque y Pesado Los diferentes tipos de café oro se empacan en sacos, los cuales después de pesados, son transportados a la bodega de producto terminado, quedando listos para su exportación o destino final. Flujo de proceso de beneficiado de café 12

13 Demanda de Energía El beneficiado de café es un proceso que demanda grandes cantidades de energía incluyendo electricidad, calor y en algunos casos combustibles derivados del petróleo. Durante las visitas de campo se pudo constatar que efectivamente, el proceso de beneficiado requiere mucha energía, pero especialmente se pudo observar que las partes del proceso que emplean más energía son las ligadas con la utilización de motores eléctricos y generación de calor (calderas y hornos) para el secado del café. Los motores eléctricos son empleados principalmente en las etapas de despulpado, clasificación (Cribas), bombas de agua y secadoras mecánicas. Sumado a esto, la mayoría de beneficios utilizan hornos y/o calderas que generan el calor necesario para las etapas de secado mecánico del café. Estos generadores de calor utilizan como combustible usualmente cascarilla de café y leña proveniente de la poda de cafetales. En algunos beneficios, los generadores de calor pueden funcionar usando combustibles fósiles. Balance de Masa La determinación del balance de masa se encuentra íntimamente ligado con el tipo de proceso que se utiliza en cada beneficio de café, con esto en mente, sería inadecuado tratar de universalizar estas cifras. Sin embargo, se puede perfectamente usar rangos o datos que sean representativos del sector para llegar a crear un esquema que permita aproximar dicho balance de masa. Además, se debe tomar en cuenta que algunas industrias cafetaleras re-circulan total o parcialmente el agua dentro del proceso de beneficiado. Dentro de este contexto, estudios anteriores, y específicamente el estudio denominado: Manual de Buenas Practicas Operativas de Producción más Limpia en el Sector de Beneficiado de Café, (CGP+L) presenta el siguiente balance de masa el cual es similar a otros consultados durante este estudio. Figura 5a. Balance de Masa en Beneficiado Húmedo de Café 13

14 Tomando en cuenta los datos presentados en la figura anterior, se procedió a calcular el balance de masa basado en un quintal de café oro uva procesado, con la finalidad principal de facilitar el cálculo de cantidades específicas de producción y estimados de subproductos generados para un beneficio determinado. Ejemplo: si un beneficio procesa un promedio de 80,000 quintales al año, simplemente se multiplica esta cifra por las cantidades presentadas a continuación. Agua del Secado kgs. Café Fresco-Oro Uva kgs. = 1qq Café Oro kgs. Agua Para Proceso kgs. Beneficiado Humedo Cascarilla kgs. Pulpa Fresca kgs. Agua Residual kgs. Musilago kgs. Figura 5b. Balance de Masa en Beneficiado Húmedo de Café Basado en un Quintal de Café Oro Uva Procesado Balance Energético Para realizar un detallado balance de energía en un determinado beneficio de café, seria necesario instalar un riguroso sistema de medición y verificación de los diferentes flujos de energía que se observan dentro del proceso de beneficiado del café durante la plena temporada de producción. Sin embargo, esta tarea estaba fuera de los límites de este estudio, y debido a esta situación se procedió a estimar valores de consumo de energía tomando como base la información recolectada en algunos beneficios visitados. Con esto en mente, se analizaron los flujos de energía eléctrica, energía calorífica, consumo de leña, y consumo de combustibles varios (diesel, gasolina, etc.) en algunos beneficios, para luego intentar estimar consumos promedios por flujo de energía utilizada, por quintal oro uva procesado. De estos flujos de energía, y debido a la información inconclusa en algunos beneficios estudiados, se tomo la decisión, para esta sección 14

15 exclusivamente, de incluir únicamente el consumo de energía eléctrica y energía térmica expresados en Kwh consumido por quintal de café producido. Dentro del contexto presentado anteriormente, se estimo que en promedio, la producción de un quintal de café oro consume Kwh y Kwh de energía eléctrica y térmica respectivamente. Limitaciones y Oportunidades De acuerdo a la literatura consultada y más tarde confirmado durante las visitas de campo, se pudo constatar que el beneficiado de café en el país es un proceso industrial que poco a cambiado a través de los años (CGP+L). En términos de eficiencia del proceso en general, se puede mencionar que existen varias limitantes en cuanto este tema; por un lado, se encuentra el aspecto tecnológico (la mayoría de beneficios del país utilizan tecnología muy antigua e ineficiente) y por otro, el aspecto del inadecuado uso de los recursos naturales (agua, leña, pulpa, etc.). En lo que se refiere al tema de tecnología, existe la oportunidad de implementar sistemas y/o equipos mucho más eficientes, energéticamente hablando (motores, calderas, despulpadores que no utilizan agua, etc.). Sin embargo, el cambio tecnológico debe de ser un cambio integral, el cual tiene que estar acompañado de otras medidas como lo son la eficiencia energética, producción más limpia y ecología industrial. En este último tema, seria muy beneficioso para el país explorar la construcción de parques ecológicos industriales en los cuales los subproductos de unas industrias se convierten en materia prima de otras y viceversa. Esto además permitiría que las instalaciones o parte de los sistemas que se utilizan en el beneficiado de café sean utilizados fuera de temporada, lo que a su vez generaría mayores ingresos económicos. Lo mencionado anteriormente no es una tarea sencilla, pero son modelos que tienen que ser explorados si se desea competir en este mundo globalizado, no sólo por aspectos económicos, sino también aspectos medioambientales. Por otro lado, en el tema de los subproductos no utilizados del beneficiado de café (pulpa, aguas mieles, etc.) existe la oportunidad de generación de energía a través de la producción de biogás (entre otras opciones) y al mismo tiempo generar créditos de carbono dentro del marco del Protocolo de Kyoto. Esta última oportunidad relacionada con la generación y venta de Certificados de Reducción de Emisiones (CER) será abordada en más detalle en la sección

16 Evaluación Energética en Beneficios Seleccionados Visitas a Beneficios Seleccionados para Evaluar la Actual Situación Energética Como parte del plan de acción del presente estudio se visitaron varios beneficios para comprender más en detalle la mecánica de los procesos de producción del beneficiado de café en el país. En este aspecto, se aprovecho también la oportunidad para conocer de forma general el estado energético actual de esta industria. Después de las visitas técnicas, por medio de un cuestionario (ver Anexo C), se procedió a solicitar información sobre los consumos energéticos anuales (incluyendo combustibles) de los beneficios visitados e información sobre los volúmenes y tipo de biomasa al inicio y al final del proceso de producción incluyendo sub-productos. Además de esto, se solicito información relacionada con los equipos utilizados en el proceso de beneficiado. Sin embargo, como se menciono con anterioridad, esta información no fue facilitada por todos los beneficios visitados como se esperaba en un principio. Pese a los inconvenientes encontrados durante la fase de levantamiento de datos, el estudio continuo desarrollándose normalmente utilizando datos parciales facilitados por la Cooperativa San José de La Majada y el Beneficio ATAPASCO. Además de esta información, se utilizaron datos recolectados por otros estudios de investigación los cuales fueron consultados a lo largo del presente estudio. Identificación de Oportunidades y Posibles Soluciones Luego de evaluar las diferentes fuentes de información a las que se tuvo acceso, y de haber observado la forma en que trabajan los sistemas energéticos de los benéficos de café, se procedió a identificar posibles mejoras en los procesos de producción que permitan hacer dichos procesos más eficientes, y que como resultado conlleven al ahorro y conservación de energía, materiales y recursos naturales. Entre los aspectos de más relevancia encontrados, es el excesivo consumo de agua durante el proceso de beneficiado. Con esto en mente, existe actualmente 16

17 la oportunidad de reducir sustancialmente este consumo de agua utilizando la tecnología conocida como BECOLSUB, la cual según fuentes consultadas (CENICAFE), reduce el consumo de agua en un 75% aproximadamente. Con esta tecnología de origen Colombiana, se necesitarían 227 litros de agua para procesar un quintal de café oro uva. Siendo el consumo promedio actual en el país, de acuerdo al balance de masa presentado anteriormente y a otras fuentes consultadas, de 907 litros de agua por quintal procesado. Dentro de este contexto, si la reducción en el consumo de agua es real, se tendría además una notable reducción en el consumo de energía (electricidad y calor), ya que se podría disminuir el numero de motores utilizados a lo largo del proceso del beneficiado, además de reducir la intensidad del calor usado durante la etapa del secado mecánico del café. Ver Anexo 3 para mas información sobre la tecnología BECOLSUB. Puntos Críticos para Implementar Medidas de Eficiencia Energética Proceso de secado con recursos propios: Obtención de hornos más eficientes (o modificación de los ya existentes), diseñados para poder utilizar específicamente los subproductos del beneficiado como lo son la cascarilla y la pulpa de café pero de una forma diferente a la actual. En este sentido, estos subproductos tienen que ser previamente transformada a briquetas o pellets para obtener un combustible con mayor densidad y por lo tanto mayor capacidad calorífica. Generación de energía eléctrica: Debido a que las máquinas secadoras y otros motores del proceso demandan una gran cantidad de energía eléctrica, se debe diseñar un sistema para generar energía eléctrica in situ a partir de la metanización de las aguas mieles y pulpa de café. Transporte de aire caliente: Renovar por completo (los que poseen), el aislante térmico de las tuberías que transportan el aire caliente por material a base de fibra de vidrio acorde a las temperaturas de operación de las máquinas, para evitar perdidas de calor en los trayectos desde las calderas hasta las secadoras. Posibles Modificaciones en el Proceso de Producción para Aumentar la Eficiencia Global (Producción Más Limpia) Ahorro de insumos entre operaciones: Colocación de tornillos helicoidales para transportar el café, con lo cual se reduciría el uso del agua de transporte, además se deben eliminar fugas, instalar llaves para abrir y cerrar 17

18 el flujo en puntos críticos del proceso y la instalación de un contador de agua para poder conocer el consumo real del beneficio. Separación y reutilización de aguas residuales: Es necesario separar la pulpa de café del agua de despulpado, para poder reutilizar el agua dentro del proceso de beneficiado. Utilización y tratamiento de materias residuales: Debido a la gran cantidad de materias residuales en el beneficiado de café, es necesario definir métodos de tratamiento para las aguas mieles, pulpa y cascarilla; para disminuir primeramente el impacto ambiental de estos residuos, y de esta manera aumentar la eficiencia del beneficio y disminuir los costos de producción. En el tema específico de Producción Más Limpia (P+L) en la industria del café, existe un excelente manual elaborado por técnicos del Centro Guatemalteco de Producción Más Limpia denominado: Manual de Buenas Practicas Operativas de Producción más Limpia en el Sector de Beneficiado de Café. Por favor consultar la sección de Bibliografía para mas información sobre este interesante documento (CGP+L). Generalidades Sobre Costos de Inversión para Implementar Soluciones Con respecto a los aspectos económicos relacionados con la potencial implementación de medidas de eficiencia energética y mejoras a los procesos de beneficiado, se puede mencionar que estos aspectos están íntimamente ligados con la realización de una detallada auditoria energética y análisis costo beneficio de los cambios a implementar dentro de un determinado beneficio de café. Además, si bien es cierto que la mayoría de beneficios visitados mostraron similitudes en cuanto a los equipos y procesos utilizados, fue técnicamente imposible estimar costos de inversión tomando en cuenta el alcance de este estudio. Agregado a esto, se tiene que tomar en cuenta que cada planta procesadora de café tiene sus propias características y necesidades. Sin embargo, se puede mencionar, de forma general, que algunos de los cambios sencillos a implementar (cambio de fajas en motores, protección térmica en tuberías de vapor, instalación de válvulas de flujo, etc.) podrían tener un tiempo de retorno de inversión de menos de un año. 18

19 Oportunidades Económicas Bajo Mecanismos del Protocolo de Kyoto El Protocolo de Kyoto es una importante herramienta creada para combatir la emisión de gases culpados por el cambio climático. Este protocolo establece el compromiso, por parte de la mayoría de países industrializados, de reducir sus emisiones de algunos gases que causan el efecto invernadero. Esta reducción de emisiones se hará por medio del desarrollo de proyectos relacionados con la producción de energías renovables y la implementación de proyectos de eficiencia energética en países no industrializados. A esta mecánica para desarrollar proyectos de este tipo se le conoce como: Mecanismos de Desarrollo Limpio (MDL) (UNFCCC). Dentro del marco de acción del Protocolo de Kyoto existe, literalmente, la posibilidad de convertir problemas en oportunidades. En este sentido, la industria cafetalera de El Salvador se enfrenta con la opción de modernizar y mejorar sus procesos de producción y de esta forma alcanzar niveles mas altos de eficiencia energética; niveles que podrían ser mas tarde cuantificados, certificados y comercializados a través de la obtención de Certificados de Reducción de Emisiones (CER s) los cuales pueden ser vendidos a países industrializados directamente, o comercializados a través del mercado mundial de carbono. Para el caso particular de proyectos de eficiencia energética, después de realizar una detallada auditoria energética y de encontrar factible la implementación de mejoras como las sugeridas en la Sección 6.2.1, se procedería a medir y certificar el numero de unidades de energía ahorradas con los cambios implementados (tomando como referencia las unidades de energía consumidas antes de los cambios) para luego estimar la cantidad de CER s a obtener. La cuantificación de CER s a obtener a través de la implementación de medidas de eficiencia energética es algo que tiene que ser monitoreado y verificado muy cuidadosamente, ya que comprobar niveles de eficiencia no es una tarea simple. Con esto en mente, para el caso de este estudio, no se puede realizar una estimación aceptable de los CER s que se podrían obtener a través de la implementación de medidas de eficiencia energética en los diferentes beneficios del país. Esta estimación solamente se podría realizar después de llevar a cabo una detallada auditoria energética. Por otro lado, la estimación de CER s a obtener por medio de la generación de energía utilizando los subproductos del proceso de beneficiado, es algo más factible de hacer, ya que se pudo recolectar información sobre los volúmenes globales de los residuos producidos en la industria del café, y de estos volúmenes calcular la potencial generación de gas metano. Además de esta aproximación, se puede también utilizar los datos de balance de masa del proceso de beneficiado de café presentado en este estudio para obtener una buena 19

20 aproximación sobre las cantidades residuales producidas por quintal de café procesado. De acuerdo a datos proporcionados por FIAGRO, la industria cafetalera aproximadamente genera anualmente la cantidad de 49,050 toneladas de biomasa (pulpa y cascarilla). Sin embargo, para ser mas conservadores con las cifras a utilizar, se estima más factible una participación del 60% del sector cafetalero, lo que resulta en la cantidad de 29,430 toneladas de biomasa disponibles al año. No obstante, debido a que el objetivo final es la metanización de esta biomasa, todavía existe la duda si es factible incluir en estas cifras los residuos de cascarilla ya que estos son actualmente utilizados como combustible. A pesar de lo anterior, se utilizó la cifra de 29,430 toneladas para los cálculos realizados en esta sección. Como se puede apreciar en la Tabla 6.4a, la metanización de 29,430 toneladas de biomasa producirían aproximadamente el equivalente a 139,056,75 toneladas de CO 2. Agregado a esto, en la Tabla 6.4b se presentan datos relacionados con la metanización de las aguas mieles, también sub-producto del proceso de beneficiado de café, lo que resulta en la producción del equivalente a 79,380 toneladas de CO 2 (aguas mieles). biomasa biomasa * (ton) biogás 60% metano (m³) metano (m³) metano (ton) CO2 (ton) Total 29,430 17,658,000 10,594,800 6, , qq (quintal) = 100 lb. 1 qq oro uva = 500 lb. café fresco * los datos son esperando un 60% de la producción total de los beneficiadores y pueden variar dependiendo de la cosecha. Tabla 6.4a. Potencial de Metanización de Biomasa en el Sector Cafetalero (60% de participación) 20

21 aguas mieles quintales oro procesados (qq) biogás 60% metano (m³) metano (m³) metano 1 (ton) CO2 2 (ton) 50, , , total 1,080,000 10,079,620 6,047,772 3,780 79,380 1-Se estima que con las aguas miles de 50,000 qq oro se producen 175 t CH4 2-Se estima que por cada tonelada de CH4 se producen 21 de CO2 Tabla 6.4b. Potencial de Metanización de Aguas Mieles en el Sector Cafetalero (60% de participación) Sumando las dos cifras de toneladas de CO 2 antes mencionadas, se llega a un gran total de 218, toneladas de CO 2, lo que representaría un potencial ingreso económico de aproximadamente $2,621,241 por año; asumiendo un conservador precio de venta de $12/CER. En otro aspecto interesante de la potencial metanización de biomasa del sector cafetalero, se realizaron estimaciones para determinar cual es el potencial y el valor económico de la generación eléctrica utilizando el biogás a producir y su posible venta a la red nacional de energía (Tabla 6.4c). En este aspecto, se determinó que el potencial de la electricidad a producir es de 39,134 MWh/año, lo cual tiene un valor en el mercado de $6,261,453. Los datos anteriores asumen el valor aproximado actual de $0.16/kwh. Además de energía eléctrica, cabe mencionar que existe el potencial de paralelamente generar aproximadamente 78,268 MWh de calor asumiendo la utilización de un sistema de cogeneración. Gas Metano (M 3 ) Transformados a Kwhe (electricidad) Precio de venta a red ($) Total precio de venta ($) Precio de energía eléctrica actual en $/Kwh Total si se consume internamente ($) 16,642,572 39,134, ,739, ,261, Tabla 6.4c. Potencial de Generación de Energía Eléctrica Utilizando Biogás Como se puede apreciar después de analizar las tablas anteriores, existe la gran oportunidad de generar energía utilizando los sub-productos de la industria cafetalera del país. Sin embargo, como se menciono con anterioridad, es necesario realizar una detallada auditoria energética para tener datos mas reales y de esta forma cuantificar el numero de CER s a producir tomando en cuenta medidas de eficiencia energética y aspectos relacionados con la producción de energía utilizando los residuos del proceso del café. 21

22 Oportunidades de generación de Energía Aplicables en Beneficios de Café Sistemas de Aprovechamiento de Productos Residuales Digestión Anaerobia En términos generales, la Digestión Anaerobia (DA) es básicamente la descomposición natural de organismos vivos por medio de bacterias que actúan en la ausencia de aire. Este proceso bioquímico ofrece una excelente oportunidad para convertir residuos orgánicos provenientes de granjas y agroindustrias en materias primas de mayor valor agregado tales como el biogás y abonos orgánicos. La producción de biogás se inicia cuando los residuos orgánicos se descomponen bajo condiciones anaerobias produciendo un gas rico en metano que puede ser utilizado como combustible en muchas aplicaciones (ver Figura 7.1.1a). Este gas esta compuesto de hasta 70% gas metano (CH 4 ) y 30% de otros gases en los cuales se encuentran el Dióxido de Carbono (CO 2 ), el Hidrógeno Sulfuroso (H 2 S) y partículas de otros gases (British BioGen). Figura 7.1.1a. Típico Proceso de Digestión Anaerobio en Granjas o Agroindustrias Además del biogás, como se puede apreciar en la figura anterior, existe la oportunidad de producir un abono orgánico (sólido y/o líquido) que puede ser 22

23 usado en las mismas granjas o comercializado. Figure 7.1.1b. Plantas Productoras de Biogás en Alemania Diferentes Tipos de Biodigestores El biodigestor es básicamente el corazón de un sistema de producción de biogás. Con esto en mente, en la actualidad existen varios tipos de digestores los cuales usualmente son influenciados por la materia prima o residuo a utilizar incluyendo su estado físico; y por el grado de complejidad (tecnología) que se planee usar. En este ultimo aspecto, los biodigestores pueden variar desde sistemas simples como el biodigestor tipo chino de proceso batch (Figura a), hasta sistemas continuos automatizados de alta tecnología para usos industriales (Figura b). En este contexto, como se mencionó antes, los sistemas se pueden clasificar de acuerdo al biodigestor que se emplea tomando en cuenta el estado (líquido, sólido, lodos, etc.) del residuo a tratar. Además de esto, es necesario mantener las temperaturas adecuadas para que la bacteria que activa el proceso de generación de biogás pueda realizar su trabajo eficientemente. La variable de temperatura es probablemente uno de los factores más críticos dentro del proceso de generación de biogás, ya que si no se mantienen los rangos especificados para el tipo de biodigestor elegido, la eficiencia total del sistema puede bajar notablemente, y en algunos casos la producción de gas metano puede cesar. En otras palabras, la bacteria moriría. Los rangos de temperaturas más utilizados comúnmente se encuentran entre los 25 C 40 C, a lo que se denomina rango mesofílico; y entre 50 C 65 C rango termofílico. La elección del rango de temperatura a utilizar dependerá de varios factores entre los que se encuentran la capacidad de carga del biodigestor (flujo de biomasa entrando al digestor), tiempo de retención hidráulico de la biomasa en el digestor (descarga de biomasa), y tiempo de activación de bacterias entre otros. Sin embargo, es recomendable trabajar bajo el rango mesofílico ya que se ha 23

24 comprobado que este ambiente crea mejores condiciones para el crecimiento de la bacteria y velocidad de generación de biogás. Figura a. Detalles de Componentes del Biodigestor Simple Tipo Chino 24

25 Figura b. Componentes que Conforman un Biodigestor del Tipo Industrial Estimados de Costos de Inversión para Sistemas de Producción de Biogás Como es de esperarse, la estimación de costos de inversión necesarios para la puesta en marcha de un sistema de generación de biogás no es tarea fácil, ya que una planta de esta naturaleza se debe adecuar, primeramente, a las cantidades y propiedades de la biomasa a usar (liquido, sólidos, semi-sólidos, etc.); segundo, tomar en cuenta la tecnología a utilizar (proceso batch o continuo, automático, semi-automático, manual, etc.); y por último, el producto final a obtener (biogás, metano, metanol, gas comprimido, etc.). Por estas razones no se pueden ofrecer datos concretos sobre costos de inversión, sin antes realizar un estudio de factibilidad teniendo en cuenta todos los factores antes mencionados. Sin embargo, para tener una idea de los costos de inversión de este tipo de plantas, se presentan a continuación ciertos datos técnicos y económicos de algunas plantas en funcionamiento en varios países de Europa y Asia. 25

26 Ubicación de la Planta Holsworthy, Devon, UK Vijayawada, Andhra Pradesh, India Capacidad de Procesamiento anual (Ton/año) 146,000 7,300 South Shropshire, UK 15,000 Kagithapuram, Karur, Tamil Nadu, India 3,285,000 Tipo de Material Procesado Estiércoles de vacas, cerdos y aves Desperdicio s de vegetales y residuos de mataderos Desperdicio s orgánicos municipal Agua residual de limpieza de bagazo de caña Costo Total de Planta ($) 12,320,000 Costos de Mantenimi e-nto anual ($) No disponible Producción de Metano anual (m 3 ) Producción de electricida d anual (kwh) 3,900,000 14,400, ,000 21, , ,500 3,520, , ,000 1,200, ,000 No disponible 5,110,000 No se produce electricida d (biogás se usa en calderas) Tabla Datos Técnicos y Económicos de Varias Plantas Generadoras de Biogás Del cuadro anterior se puede deducir que los costos de inversión necesarios para la construcción y puesta en marcha de una planta de generación de biogás para la producción de energía pueden oscilar entre $80-$235 por tonelada de biomasa tratada (MNCES, 2006). Vale la pena volver a mencionar que estas cifras son aproximaciones y que las mismas pueden variar de acuerdo a otros factores como los mencionados al inicio de esta sección. Gasificación La gasificación es un proceso termoquímico a través del cual se transforman residuos orgánicos en un gas pobre (bajo poder calorífico) conocido como Producer Gas. Este proceso de transformación se realiza con la ayuda de un agente gasificante tal como el aire, oxígeno y en algunos casos vapor de agua. En la actualidad existen varios tipos de gasificadores y estos se clasifican, comúnmente, de acuerdo a la forma en que se extrae el gas del gasificador y de acuerdo a las propiedades de los residuos a utilizar. En este aspecto, entre los cuatro tipos de gasificadores mas usados están: Down Draft (extracción del gas en la parte baja del gasificador); Up-Draft (extracción del gas en la parte alta del gasificador); Lecho Fluidizado burbujeante y Lecho Fluidizado Circulante. 26

27 El proceso de generación de energía a través de gasificación se puede describir de la siguiente manera: 1. Gasificación: por medio del alimentador se introduce biomasa al gasificador en el cual se realizan procesos de pirolisis, oxidación y reducción de la biomasa; el resultado es un gas combustible con ciertos residuos de carbón conocido por Producer Gas. 2. Intercambio de calor: el gas pasa por el intercambiador de calor, en el cual se enfría comúnmente por medio de agua o aire, el aire a su vez se calienta y se utiliza, por ejemplo, para disminuir la cantidad de humedad en biomasa almacenada. 3. Filtrado: aquí se eliminan los restos de carbón y ceniza, además de expandir el gas, el cual queda listo para entrar al sistema de generación de energía. 4. Generación de energía: a través de motores de combustión interna, turbinas de gas o de vapor, calderas, micro-turbinas, y celdas de combustible entre otros. Para el caso exclusivo de la industria cafetalera, existe la oportunidad de utilizar la pulpa de café para la generación de energía por medio del proceso antes mencionado, sin embargo, debido a que este residuo contiene un alto grado de humedad, este tendría que pasar primero por un proceso de secado, y más tarde por un proceso de transformación a briquetas o pellets. En este sentido, existen ya en el país algunas iniciativas para explorar la producción de pellets usando la pulpa como materia prima. Además, existe un proyecto de gasificación de residuos forestales (residuos de madera y coco) en el Regimiento de Caballería de El Salvador. Debido a la naturaleza de dicho proyecto de gasificación (validación de tecnología), este proyecto podría convertirse en una excelente oportunidad para experimentar con los residuos del café. De acuerdo a datos del fabricante (Community Power Corporation) del sistema de gasificación (Biomax 50) instalado en Caballería, por cada 2 libras de biomasa con un nivel menor a 17%, se obtienen 1kWh de electricidad y 2 kwh de energía térmica o calor (6,826 BTU s). Para obtener una eficiencia global del sistema de mas del 70% (CPC). Con respecto a los costos de inversión y rentabilidad de esta tecnología, se puede mencionar que este dependerá de muchas variables entre las cuales podemos mencionar: disponibilidad de biomasa, costos locales de energía, ubicación de la planta, y destino final del calor generado entre otros. Sin embargo, se estima que los costos de inversión de un sistema de 50 kw como el instalado en Caballería ronda la cantidad de $250,000. A esto se le tendría que agregar los costos asociados con la instalación de un sistema de adecuación de biomasa (reducción de tamaño, limpieza y secado). 27

28 Sistemas de Cogeneración de Energía El biogás, el gas pobre producto de la gasificación y algunos residuos sólidos, pueden ser utilizados como combustible en la cogeneración de energía utilizando motores de combustión interna, turbinas de gas, turbinas de vapor (incluyendo calderas), y micro-turbinas. Las dos primeras tecnologías y los sistemas de cogeneración son las más utilizadas actualmente, debido a su precio de adquisición, mantenimiento y eficiencias. Tabla 7.2 presenta una síntesis breve de las ventajas y desventajas de las tecnologías antes mencionadas y un estimado general de costos de inversión. Tecnología Ventajas Desventajas Turbinas de gas Microturbinas -Alta Confiabilidad -Bajas emisiones -Alto grado de calor disponible -No necesita sistema de enfriamiento -Reducida cantidad de partes en movimiento -Tamaños compactos y peso liviano -Bajas emisiones -No necesita sistema de enfriamiento -Requiere gas de alta presión o la utilización de un compresor -Baja eficiencia en cargas bajas -Cargas disminuyen si la temperatura ambiente se incrementa -Costos altos -Eficiencia mecánica relativamente baja -Limitada a temperaturas bajas de cogeneración Capacidade s de Generación 500 kw a 40 MW 30kW a 350 kw Costos de Inversión en cogeneració n ($/kwe) 800-1,800 1,300-2,500 Motores de combustión interna (gasolina) Motores de combustión interna (diesel) -Alta eficiencia en cargas operacionales flexibles -Encendido rápido -Inversión relativamente baja -Puede ser utilizada como generación independiente y puede seguir fluctuaciones de carga -Mantenimiento in situ por operadores comunes -Opera con gas de presiones bajas -Altos costos de mantenimiento -Limitada a aplicaciones de cogeneración de temperatura baja -Emisiones de aire relativamente altas -Deben ser enfriados a pesar que el calor recuperado no se utilicé -Altos niveles de ruido de baja frecuencia <5 MW Alta velocidad (1,200 RPM <4MW) Baja Velocidad ( RPM <65MW) 900-1,500 Turbinas de Vapor -Alta eficiencia global -Puede aceptar cualquier tipo de combustible -Habilidad de satisfacer las necesidades de calor de -Tiempo de encendido lento -Variable Electricidad/calor baja usualmente 50 kw a 250 MW (no incluye caldera) 28

29 mas de una demanda -Vida útil muy larga y alta confiabilidad -Variable Electricidad/calor puede ser modificada Fuente: Energy Nexus Group Tabla 7.2. Ventajas, Desventajas y Costos de Tecnologías Para Cogeneración de Energía El biogás, después de pasar por un proceso de conversión, también puede ser utilizado como combustible en automotores al igual como se usa el gas natural comprimido, el etanol y el metanol de origen fósil. Por otro lado, el gas pobre o producer gas puede ser transformado a un líquido de propiedades similares al combustible diesel; a este producto se le conoce como combustible sintético. Un sistema de generación de energía de utilizando biogás o gas pobre puede tener muchas configuraciones, y esto puede depender de muchos factores. Una de las configuraciones más comunes, con respecto a la utilización de biogás, es la que se presento anteriormente en la Figura 7.1.1a, en la cual se incluye un sistema de cogeneración para producir paralelamente calor y electricidad. Este tipo de configuración es ampliamente utilizada en muchos países industrializados, principalmente en Europa y Estados Unidos. La implementación de un sistema de conversión de energía como los mencionados anteriormente no es algo fácil, y su complejidad y viabilidad dependerá del resultado de varios estudios. Estos estudios tendrán que investigar o contestar interrogantes como es el de la cantidad de residuos o subproductos que se generan al año, composición química de los residuos, situación energética del lugar en estudio, cantidad de lluvia que recibe el lugar, la existencia de beneficios fiscales, oportunidades económicas bajo mecanismos del Protocolo de Kyoto, etc. En las siguientes sub-secciones se describen las tecnologías presentadas en la Tabla 7.2. Además, en la sección de Anexos se presenta información más detallada con respecto a los costos de inversión, operación y mantenimiento de las tecnologías en cuestión. Motores de Combustión Interna con Recuperación de Calor El motor de combustión interna es una tecnología ampliamente desarrollada y utilizada alrededor del mundo en una gran variedad de aplicaciones. En este sentido, una de las mayores aplicaciones de esta tecnología se encuentra dentro de los sistemas de transporte que actualmente se utilizan día a día en todo el mundo. 29