El análisis del recurso de biomasa se realizó en el cultivo energético denominado Jatropha curcas.
La clasificación taxonómica de Jatropha curcas de acuerdo a Cronquist (1981) es la siguiente: 1
El género Jatropha cuenta con alrededor de 170 especies, en donde se encuentran dos variedades de la especie curcas, la tóxica que contiene los esteres de forbol y la no tóxica que se cultiva en el estado de Sinaloa. Se le considera un arbusto por que presenta una altura de 3 a 5 metros, sin embargo puede alcanzar hasta los 7 metros y tiene una esperanza de vida hasta 50 años.2
Es una planta nativa de México, América Central, Brasil, Bolivia, Perú, Argentina y Paraguay, aunque hoy en día tiene una distribución pantropical. Se cultiva en toda América Central, África y Asia.
Es una planta vigorosa, resistente a plagas y sequía, se utiliza principalmente como cerco vivo (protección de tierras de cultivo contra animales como vacas, ovejas y cabras.
La planta tiene una raíz pivotante profunda e inicialmente cuatro raíces superficiales laterales, la raíz principal puede estabilizar el suelo contra deslizamientos de tierra, mientras que las raíces poco profundas se alargan para prevenir y controlar la erosión del suelo causada por el viento y el agua. 3
Los requerimientos edafoclimáticos para la siembra y el cultivo de la Jatropha curcas se muestran en la tabla 5.47.
Los resultados de la zonificación agroecológica muestran que existen más de 6 millones de hectáreas con potencial alto y medio para el establecimiento de plantaciones de piñón en México.4
A nivel nacional se estimaron alrededor de 2.6 millones de hectáreas con alto potencial para el cultivo del piñón, con un altitud de 0 a 1000 msnm, una temperatura entre 18 y 28 ° C y una precipitación pluvial entre 600 y 1200 mm anuales. Los estados de la República Mexicana que registraron mayor superficie óptima para el cultivo de piñón fueron Sinaloa con 557,641 ha, Tamaulipas con 317,690 ha, Guerrero con 282,158 ha, Chiapas con 230,273 ha y Michoacán con una superficie de 197,288 ha.
Las superficies identificadas presentan también pendientes menores a 20% con un uso de suelo predominantemente agrícola. De 32 estados en 8 de ellos no se detectaron áreas con potencial alto.5
En la tabla 5.48, se muestra el potencial productivo de Jatropha en zonas agrícolas de temporal. El estado de Guerreo contribuye con un 60%, Sinaloa con el 12.1%, Tamaulipas con un 12.9% y Veracruz con un 15.6%.
Así mismo en la tabla 5.49, se muestra el potencial alto y medio de jatropha en zonas agrícolas de temporal en 14 de los 18 municipios del estado de Sinaloa. Los municipios que contribuyen más en el potencial productivo en zonas agrícolas de temporal son: Choix con un 13.4%, Culiacán con el 14.4%, Mazatlán con un 11.4% y Sinaloa de Leyva con el 14.1%.
A continuación se muestra en la tabla 5.50, la superficie cultivable en las zona norte, zona centro y zona sur del estado de Sinaloa que cuenta con una superficie de 557 mil 641 hectáreas aproximadamente para el cultivo de jatropha Curcas.6
Los requerimientos edafoclimáticos7 óptimos para el cultivo de jatropha curcas, se muestran en tabla 5.51, así como los valores obtenidos en la Estación Dimas en el municipio de San Ignacio Sinaloa.8
La productividad es muy variable y dependerá de las condiciones del clima, el suelo, la humedad, las técnicas agronómicas utilizadas, las variedades y muchos otros factores. En la tabla 5.52, se presentan los rendimientos que se están alcanzando en la producción de biodiesel con el uso de diferentes cultivos, bajo condiciones favorables.9
El biodiesel, es un combustible líquido no contaminante y biodegradable, que se utiliza en el transporte urbano, minero y agrícola. De acuerdo a la ASTM “el biodiesel está compuesto de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de aceites vegetales o grasas animales". 10 Es decir, un combustible alternativo de combustión limpia hecho con grasa o aceite (como el de soya o de palma) que se ha sujetado a un proceso químico para extraerle la glicerina. 11
La glicerina es un subproducto del biodiesel que tiene una gran diversidad de aplicaciones, las cuales se muestran en la figura 5.15.
El biodiesel se obtiene por transesterificación,12 proceso que combina aceites vegetales y/o grasas animales con alcohol (metanol o etanol) en presencia de un catalizador que puede ser hidróxido de sodio o hidróxido de potasio con el fin de formar ésteres grasos.13 Luego se decanta la sustancia resultante, quedando el biodiesel en la parte superior y la glicerina en la parte inferior.
La reacción química que se lleva a cabo en el proceso de producción de biodiesel es la reacción de transesterificación (reacción de moléculas de triglicéridos) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol y butanol) para producir biodiesel y glicerina. 14
Esta reacción se lleva a cabo por pasos, involucrando diferentes reacciones que consisten en tres reacciones reversibles y consecutivas (conversión a diglecérido, monoglicérido y glicerina), en cada reacción se libera un mol de biodiesel (éster metílico) como se muestra en la figura 5.18.
En cuanto al biodiesel, este se produce a partir de los ácidos grasos derivados de aceites que pueden ser de origen vegetal o animal, los cuales pueden ser sometidos a varios procesos, pero el más utilizado es el de transesterificación.
Este consiste en convertir los triglicéridos en esteres, para lo cual se produce una reacción en los aceites mediante el uso de un alcohol, que puede ser metanol o etanol, y un catalizador, que puede ser hidróxido de sodio o hidróxido de potasio. Luego se decanta la sustancia resultante, quedando el biodiesel en la parte superior y glicerina en la parte inferior.
Es importante mencionar que la calidad del biodiesel tiene mucho que ver con el tipo de materia prima utilizada.
Existen diversas y variadas tecnologías para la producción del biodiesel, su selección depende de la calidad de la materia prima utilizada: concentración de ácidos grasos (AGL) o Free Fatty Acid (FFA, por sus siglas en inglés), perfil lipídico y presencia de humedad en el proceso; y de los reactivos y tiempos de operación utilizados en el proceso: tipo de alcohol, relación molar (alcohol-aceite), tipo de catalizador, tiempo de operación y agitación.15 Todos estos factores repercuten en el rendimiento, conversión y cinética de la reacción.
A continuación se describen las características de las tecnologías del procesamiento de biodiesel:16
Las tecnologías descritas anteriormente utilizan la ruta catalítica, se han identificado 85 plantas de las cuales 30 corresponden a tamaños piloto de 500 a 3 mil toneladas por año y las restantes a escala mayor con capacidades en el rango de 10 mil y 120 mil toneladas por año.
Los insumos utilizados principalmente en el proceso son: aceite de vegetal, metanol, hidróxido de sodio como catalizador y agua para el proceso de lavado.
Los productos generados son metil o etil éster der aceite de vegetal (biodiesel) y glicerina entre el 80% y 85% de pureza.
El sonido promueve o mejora las reacciones químicas, las ondas acústicas son propagaciones de la presión de oscilación de las ondas vibracionales en un medio determinado (gas, líquido o sólido).17 “Si la presión de la onda propagadora a través del líquido tiene suficiente intensidad, puede ocurrir formación de burbujas debido a que el gas disuelto en el líquido no puede permanecer disuelto debido a que la solubilidad del gas es proporcional a la presión, esto se conoce como fenómeno de cavitación” 18.
Las miles de burbujas formadas durante el fenómeno de cavitación facilita la formación de una microemulsión de metanol, KOH y aceite a alta temperatura, lo cual disminuye drásticamente las limitaciones de transferencia de masa y la reacción puede ser llevada a cabo en unos pocos segundos a temperatura ambiente y presión atmosférica disminuyendo los costos de producción.
La materia prima utilizada en la producción de biodiesel es el aceite de jatropha curcas (AJC), el cual fue elaborado de jatropha cultivada en el estado de Sinaloa.
En la figura 5.20, se muestra el diagrama de flujo utilizado en la producción de biodiesel, el cual consiste de cinco etapas (preparación del Alcóxido, Transesterificación, Refinación, Control de calidad y Almacenamiento:
La tecnología desarrollada en este proyecto, corresponde a un proceso continuo automatizado y flexible de producción de biodiesel, el cual podría procesar desde 10 L/hr hasta 180 L/hr, generando grandes ventajas de escalamiento en comparación con las tecnologías conocidas para biodiesel denominadas convencionales.19
La tecnología empleada en este proyecto (planta piloto) permite operar a la temperatura ambiente, con relaciones molares menores a los procesos convencionales (alcohol: aceite de 4:1) y de alta eficiencia, alcanzándose rendimientos superiores al 88%, hasta un 98%, lo cual hacen que el producto final cumpla con las especificaciones de las normas internacionales ASTM 6751 y EN 14214. También como en proceso no se utiliza agua en la parte de la refinación del biodiesel, el impacto ambiental es mínimo y se eliminan los costos del tratamiento de aguas residuales de una planta.20
La tecnología desarrollada en este proyecto presenta la oportunidad de procesar desde 10 L/hr., hasta 180 L/hr. (Ventaja de escalamiento) en comparación con las tecnologías de producción de biodiesel denominadas convencionales; el control automático se lleva a cabo mediante la interface desarrollada en Labview, la cual se muestra en la figura 5.22.
Las ventajas y desventajas de utilizar biodiesel se listan a continuación:21
Se puede obtener a través de fuentes renovables, así como de aceites reciclados.
Se evaluará únicamente el proyecto de factibilidad técnico-económico financiero para la producción de biodiesel y glicerina a partir del aceite de Jatropha curcas, del proyecto titulado “Desarrollo sustentable de la cadena agroindustrial de Jatropha curcas, para el rescate de la zona marginada del noroeste de México”, en el que participaron las siguientes Instituciones y Universidades: el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), la institución Fundación Produce Sinaloa (FPS), el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales (INIFAP), la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS), el Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo A.C. (CIAD) y el Instituto Politécnico Nacional (IPN). 22.
Se implementó el sistema de producción de biodiesel denominado sonotransesterificación desarrollado en la Universidad Autónoma de Sinaloa en la Facultad de Ciencias Químico Biolólgicas,23 el cual presenta un mejor rendimiento y un menor costo de las tecnologías existentes. La capacidad instalada de la planta es de 4,200 L/día y es posible ajustar su capacidad de acuerdo a la demanda del mercado nacional e internacional.
En la figura 5.23, se muestra el diagrama del proceso integral del proyecto de Jatropha Curcas (plantación, cultivo, extracción de aceite de JC y producción de Biodiesel), en este trabajo solamente se analiza la parte correspondiente a la producción de Biodiesel.
La inversión fija es de $294,080 dlls., constituida por un importe de $174,080 dlls., en equipo y un importe de $120,000 dlls., en obra civil. En la tabla 5.56, se muestran los rubros en inversión realizados, tanto en maquinaria y equipo como en obra civil.
La inversión total del proyecto de Biodiesel está conformada por los rubros de Inversión en Equipo, Obra Civil y Capital de Trabajo, lo cual arroja un importe total de $410,958.00 dlls.
En la elaboración del costo de producción y los estados financieros se consideró la siguiente base de cálculo (premisas)
Primeramente se muestra en la tabla 5.58, el consumo unitario, el costo unitario de cada uno de los insumos utilizados; y el costo total unitario de la producción de biodiesel.
La cuenta de gastos de administración y ventas se encuentra integrada por los conceptos de Sueldos y gastos inherentes a los departamentos de Administración y de ventas.
El análisis económico financiero se formuló a precios de dólares constantes del 2013, los estados financieros desarrollados son:
Se consideró un crédito bancario por el 60% del monto de la inversión total (inversión fija y capital de trabajo), por un monto de $246,575 dlls a un plazo de 5 años y una tasa del 10% sobre saldos insolutos.
Los gastos financieros del proyecto se muestran en la tabla 5.62, y en el anexo de la tabla 2, se listan el nombre de las instituciones federales e internacionales en las que se pudiera obtener financiamiento.
En el cálculo del VPN, se considera una TMAR del 7% y un horizonte de tiempo de 10 años.
Considerando una TMAR del 7%, se obtuvieron los siguientes resultados:
VPN= $92,063 dlls.
TIR= 10.3%
Los resultados obtenidos del Estado de Resultados, Flujo Neto de Efectivo, VPN y TIR se muestran en la tabla 5.63.
A diferencia de otros recursos renovables como el viento o la irradiación solar, la biomasa no es un elemento único, sino que el concepto incluye una gran variedad de insumos, entre los cuales se pueden destacar los siguientes:24
En las comunidades rurales la generación de la energía eléctrica via ER´s tiene una gran diversidad de aplicaciones:
En el anexo de la tabla 3, se incluyen algunas de las aplicaciones de las energías renovables en el área rural, éstas incluyen el tipo de actividad, el proceso con uso de energía y la forma de energía útil.
2 Idem, p. 47.
3 Idem, p. 180.
4 Comité Nacional Sistema Producto Oleaginosas, Áreas de potencial productivo de piñón Jatropha Curcas L., como especie de interés bioenergético en México [en línea]: Recursos en Línea de Comité Nacional Sistema Producto Oleaginosas, [México, D.F.], < http://www.oleaginosas.org/art_211.shtml> [Consulta: 9 de febrero, 2014].
5 Ibid.
6 Ibid.
7 Edafoclimáticos, factores relativos al suelo y al clima.
8 Op.cit., Compendio de paquetes tecnológicos para el establecimiento de la cadena agroindustrial de jatropha curcas en el noroeste de México, p.p. 48, 49.
9 Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, Preguntas y Respuestas más frecuentes sobre Biocombustibles [en línea]: Recursos en Línea del Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, [San José, Costa Rica], <http://www.iica.int/Esp/organizacion/LTGC/agroenergia/Documentos%20Agroenerga%20y%20Biocombustibles/Preguntas%20y%20respuestas%20m%C3%A1s%20frecuentes%20sobre%20biocombustibles.pdf > [Consulta: 9 de febrero de 2014].
10 American Standar and Testing Materials, Standardization News [en línea]: Recursos en Línea de American Standar and Testing Materials, [West Conshohocken, PA EUA], http://www.astm.org/SNEWS/SPANISH/SPJF09/nelson_spjf09.html [Consulta: 9 de febrero, 2014].
11 Ibid.
12 La transesterificación es el proceso de intercambiar el grupo alcoxi de un éster por otro alcohol. Estas reacciones son frecuentemente catalizadas mediante la adición de un ácido o una base.
13 Ésteres: compuestos orgánicos en los que un grupo orgánico reemplaza al menos un átomo de hidrógeno en un ácido oxigenado.
14 Op.cit., Compendio de paquetes tecnológicos para el establecimiento de la cadena agroindustrial de jatropha curcas en el noroeste de México, p. 118.
15 Ídem, p. 119.
16 Ibid.
17 Idem, p. 120.
18 Ignacio Contreras, Biodiesel Current Technology: Ultrasonic Process a Realistic Industrial Applications, Rijeka Croatia, Intech, 2013, p.183.
19 Op.cit., Compendio de paquetes tecnológicos para el establecimiento de la cadena agroindustrial de jatropha curcas en el noroeste de México, p. 127.
20 Ibid.
21 Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, Biodiesel [en línea]: Recursos en línea de Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, [México, D.F.] < http://www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/466/2/biodiesel.pdf> [Consulta: 13 febrero, 2014].
22 Op. cit. Compendio de paquetes tecnológicos para el establecimiento de la cadena agroindustrial de jatropha curcas en el noroeste de México. p.7.
23 Op. cit. Compendio de paquetes tecnológicos para el establecimiento de la cadena agroindustrial de jatropha curcas en el noroeste de México., p. 120.
24 Op.cit., Plan integral para el desarrollo de las energías renovables, en México 2013-2018.