Eficiencia energética: nuevos retos de la ingeniería industrial

INGENIERÍA INDUSTRIAL: NUEVAS TENDENCIAS PROFESIONALES

El proceso natural del efecto invernadero ha crecido debido a la emisión de gases provenientes  de actividades humanas, tales como el consumo de mayores cantidades de combustible fósiles y el abandono de residuos sin tratamientos específicos previos. El Grupo Intergubernamental de Expertos en Cambios Climáticos (IPCC) ha concluido que el aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero, son la causa del aumento de la temperatura sobre la superficie de la tierra. Esta conclusión puede llegar a extremos más críticos, en vista de una drástica demanda energética que se provee de parte de los Países en Vías de Desarrollo (PVD).

Actualmente la biomasa contribuye con el 12-15% en el abastecimiento  mundial de energía, siendo el mayor utilizo en los Países en Vías de Desarrollo (PVD), países en donde se encuentra localizada la mayor presencia de biomasa del mundo.

El utilizo de biomasa en los PVD, se realiza de manera no sostenible debido a que la materia prima principal es la leña y esto aumenta la deforestación y desertificación. Pero el uso comercial de la biomasa para la generación de calor, vapor o electricidad, está basado en el utilizo de residuos agrícolas o forestales. Según los organismos mundiales que se ocupan del tema, la biomasa tendrá un papel importante en el abastecimiento futuro de energía, de acuerdo a los diferentes escenarios energéticos. Su disponibilidad en grandes cantidades en forma de residuos a bajo costo, y con eficientes sistemas técnicos de transformación, hace este recurso económicamente atractivo, de manera que pueda competir con los combustibles fósiles. La energía de biomasa o “bioenergìa” contribuirá grandemente a la futura demanda mundial de energía, en el rango del 16-45% del total. Desde este punto de vista, será necesario establecer programas sostenibles  de gestión de residuos agrícolas y de cultivos energéticos dedicados, con características de bajo consumo energético en su obtención y bajo costo. Si bien estas características dependen de condiciones climáticas, del tipo de  suelo, y la disponibilidad de agua, se deben tener en cuenta también  otros factores fundamentales como el desarrollo tecnológico de transformación de alta eficiencia.

En el ámbito mundial se están llevando a cabo programas de desarrollo de producción y utilizo de biomasa para la generación de calor y energía, a través de nuevos sistemas energéticos. Es cierto que el interés en la bioenergìa varía de acuerdo a las características de cada país, pero son justamente aquellos con grandes potencialidades  los que menos la explotan. La energía total contenida en las reservas de biomasa, es igual a las reservas comprobadas de los combustibles fósiles, el 90% de esta energía biomásica se encuentra almacenada en los árboles. La Organización Mundial de la Agricultura y la Alimentación (FAO) estima que 1 500 Mt/año de leña es producida en los PVD para uso industrial y residencial. Pero este recurso no se regenera al mismo ritmo en la cual viene cosechada, creando un desequilibrio en el sistema.

Un mercado exitoso para la bioenergìa dependerá de la implantación de estrategias adecuadas en la gestión y protección de los recursos. Se ha mencionado que la importancia de la biomasa como materia prima en la producción de combustible, relacionada con la producción de alimentos para el consumo humano, es primordial y fundamental, pero existe biomasa que se ajusta a ambos conceptos, y en donde la relación alimento-energía puede ser una ventaja si viene aplicada en modo sostenible.

Siendo el Perú un país considerado en el grupo de PVD, es necesario mirar detenidamente nuestra realidad y los potenciales con los que se cuenta de manera que se puedan tomar medidas necesarias para afrontar decididamente nuestro rol en la lucha por un mundo sostenible. Una manera de poder reducir nuestras emisiones contaminantes, es tomando ventaja de las fuentes energéticas renovables: gracias a nuestra posición geográfica y condiciones climáticas; y de los residuos que se generan en los sectores industriales, para producir energía, substituyendo el uso de combustibles fósiles. El Perú es un país agrícola, y una de las principales actividades de la industria Peruana es el cultivo y proceso de la caña de azúcar, cultivo que no solo provee azúcar sino también energía. La industria de la caña de azúcar genera cada año grandes cantidades de bagazo, que se utilizan para alimentar los calderos de los ingenios para generar vapor de proceso y electricidad (típicamente en ciclos térmicos de baja eficiencia). El bagazo  es reconocido como un combustible renovable, que puede ser utilizado para producir cantidades significantes de electricidad adicional, pero existe además otro combustible biomàsico típico de la cultivación de la caña de azúcar, constituido por el cogollo, hojas de caña verdes y secas; que son quemadas antes y después de la cosecha. Estos residuos (a los que llamaremos barbojo) ofrecen una alternativa sostenible como combustible por su importante contenido energético y su presencia natural en el crecimiento de la caña, y sin necesidad de destinar otras áreas de cultivo para su obtención. Su condición de biomasa residual, ofrece la alternativa de ser utilizada como combustible en sistemas energéticos sostenibles para producir nuevos vectores de energía, como es el caso del hidrógeno.

La cultura de quemar los campos de caña

Si dejamos de quemar los campos de caña, tal como ya lo viene haciendo la empresa Laredo (Región La Libertad), se lograrían dos objetivos: generar nueva materia prima a fines energéticos y mejorar las condiciones de vida de la población vecina a los campos de cultivo. La quema de campos de caña de azúcar produce una gran cantidad de cenizas, material que contiene un alto contenido de sustancias tóxicas perjudiciales para la salud humana. La actividad de quemar los campos de caña en Perú, emite al ambiente gases de efecto invernadero que pueden ser evitados con un programa agrícola sostenible. La quema del barbojo causa contaminación a través de la emisión de residuos de carbón parcialmente combustionado y contribuye al calentamiento atmosférico global, con altas cantidades de gases de efecto invernadero, nitrógeno, sulfuros, además de reducir la protección y productividad de los suelos. El barbojo es realmente un “combustible verde” (si se gestiona sosteniblemente), y su utilizo para la generación de energía lo convierte en un combustible neutral delante al problema Del calentamiento global. Y esto basado en el concepto: “el utilizo de biomasa no comporta emisiones de gases de efecto invernadero, debido a que restituye al ambiente la cantidad de CO₂ que absorbió durante su crecimiento”.

De acuerdo a datos de la Asociación Danesa de la Industria Eólica que le atribuye un valor energético promedio a este tipo de biomasa, del 14,5 GJ/t, se puede establecer que una tonelada del barbojo tiene un valor energético equivalente a 2,42 barriles de petróleo (dicho valor es bastante cercano al obtenido por parte nuestra en la universidad), imaginemos entonces la cantidad de combustible fósil substituida con beneficios económicos y ambientales.

PORQUÉ HIDRÓGENO?

La solución inmediata al problema ambiental, consiste en utilizar fuentes energèticas renovables no contaminantes. El petróleo continuará a jugar un papel importante en la economía mundial, con especial énfasis en los PVD, mientras los costos de instalar sistemas energéticos basadas en fuentes energèticas renovables continúen a estabilizarse y hacerse competitivas. Utilizar la biomasa parece ser la perspectiva más interesante para la producción de energía en PVD, sobre todo si el tipo de biomasa a utilizar es un residuo, que no compromete la producción de alimentos o el utilizo de nuevos terrenos a fines energéticos. Los efectos desastrosos del medio ambiente y estudios especializados que prevé la disminución gradual y acelerada de los combustibles fósiles, invita a proponer , desarrollar y utilizar sistemas energéticos sostenibles : no contaminantes y que desarrollen nuevas economías basadas en el nuevo vector energético: hidrógeno.

El concepto del hidrógeno, como combustible del futuro, es una realidad por las características intrincas del vector: poder calorífico alto y compatibilidad con el ambiente. Puede ser producido de cualquier combustible fósil o renovable, con vapor de agua como residuo si viene combustionado (excepto si se quema con aire, produce NxO) y no produce ningún gas de efecto invernadero. Puede ser almacenado en forma gaseosa, en forma líquida o en forma de hidruros de metal y pude ser transportado a través de oleoductos o en naves cisternas. Puede ser combinado con otros combustibles: gasolina, metanol, etanol, o gas natural; y reducir las emisiones de óxido de nitrógeno hasta en un 40%. Las principales tecnologías para producir hidrógeno son: electrólisis del agua, reforming de vapor de metano, oxidación parcial de hidrocarburos, gasificación de carbón y gasificación y pirolisis de biomasa. La potencial tecnología para una realidad como la nuestra es la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua y gasificación de biomasa.

Tecnología para producir hidrógeno utilizando biomasa

Son necesarios dos sistemas para generar hidrógeno de biomasa, un sistema que permita obtener el combustible en modo adecuado y un sistema que genere la energía del combustible obtenido. Desde el punto de vista de considerar la biomasa como fuente de energía cobra importancia el poder utilizar un amplio rango de biomasa vegetal y también residuos  orgánicos como combustible en procesos de conversión energética. El principal reto del aprovechamiento energético de la biomasa es la producción de electricidad o la producción de energía térmica y eléctrica (cogeneración) con una alta eficiencia eléctrica utilizando motores, turbinas de gas o pilas a combustible. La experiencia y pruebas llevadas a cabo nos ha mostrado que el potencial de un proceso como la gasificación aplicado a la biomasa, está con mejoras en la eficiencia y altos beneficios ambientales. La gasificación es un proceso de conversión térmica, capaza de convertir materiales sólidos en gas combustible. Su principio básico, es calentar el material biomàsico hasta romper la cadena entre sus componentes orgánicos y su alto peso molecular, para descomponerlos en hidrocarbonos  ligeros, como CO, hidrógeno, etc . Este proceso presenta mayor eficiencia que la combustión directa de la biomasa sólida. El utilizo del combustible para generar energía se realiza en una “pila a combustible”. Las pilas a combustible o “fuel cell”, convierten combustibles como el hidrógeno y el metanol en electricidad, con eficiencias mayores y bajas emisiones, comparado con las máquinas convencionales (turbinas a gas, motores de combustión). Las pilas a combustible, a futuro, tienen mayor ventaja, en la conversión energética de biomasa, y mejor aún en sistemas estacionarios de energía.

Sólo en algunos países de la Unión Europea como Austria, Finlandia y Suecia y Estados Unidos, donde la utilización de la biomasa tiene un considerable apoyo económico por parte de programas nacionales, se usan cantidades importantes de biomasa como combustible en sistemas de conversión energéticas, pero los nuevos acuerdos del Protocolo de Kyoto, ha hecho que se haga extensivo la aplicación de esta tecnología hacia los PVD. Las primeras experiencias positivas en países del África y del Medio Oriente, han generado una gran expectativa en los grandes organismos y sus programas de desarrollo (entre ellos, los programas para América Latina) enfocados en la tarea de individuar proyectos energéticos (sostenibles) con el utilizo de las nuevas tecnologías.

OPORTUNIDAD DE NUEVAS TENDENCIAS PARA LA INGENIERÍA INDUSTRIAL

El Perú tiene que reformar su estructura energética: del utilizo de combustibles fósiles a sistemas energéticos sostenibles. Sin embargo, la promoción de utilizar combustibles menos contaminantes para mejorar la calidad del ambiente, parece ser que será iniciada con el utilizo del gas natural para proseguir en un mediano plazo con fuentes energéticas renovables. Recordemos que la generación de electricidad sobre la base de combustibles fósiles ha comenzado a enfrentar barreras de criterio ambiental, y bajo este concepto, los mecanismos propuestos por el Protocolo de Kyoto pueden contribuir a mejorar los programas de cogeneración en el sector azucarero. La privatización del sector azucarero puede permitir a que la situación sea del todo diferente, si son establecidas políticas energéticas adecuadas para el sector.

Se puede generar mayores cantidades de electricidad con sistemas tecnológicos eficientes y que ya son comercialmente disponibles. El futuro de la bioenergìa no se  puede predecir, pero se puede decir que los combustibles biomásicos existirán en grandes cantidades: residuos forestales o agroindustriales, lodos y como residuos sólidos. El potencial global de los cultivos energéticos es limitado debido al abastecimiento insuficiente de alimentos en determinados PVD, pero si es posible el uso eficiente de residuos biomásicos para la producción de energía. La selección de la tecnología tiene y debe tener en consideración su impacto en el ambiente, no se trata solamente de “generar más energía”, sino de establecer un balance entre un incremento de la eficiencia y una reducción del impacto ambiental, con bajos costos y riesgos. Es cierto que la biomasa, no es el último recurso para la generación de calor y energía. La energía solar y eólica puede producir también los mismos resultados sin costo de combustible o transporte y de modo completamente renovable, pero la variedad de biomasa combinada con el know-how tecnológico existente, permitirá la producción de bioenergìa con pocas modificaciones en los sistemas energéticos existentes en los sectores industriales de los países en general.

Escenario Futuro del Hidrògeno en Perù

El desarrollo y aplicaciòn de nuevos sistemas estacionarios de generaciòn de combustible, es un importante precursor hacia un sistema de transporte en base a este nuevo vector energètico, lo que permitirìa ir creando un espìritu de acepatciòn en la poblaciòn y  una oportunidad para desarrollar y aplicar la  tecnologìa en menos tiempo. Las ciudades màs importantes del Perù estàn ubicadas en la costa: Lima, Trujillo, Chiclayo, Arequipa y Chimbote; y son clasificadas como ciudades con altas emisiones de CO₂ debido a actividades industriales , pero sobretodo al transporte. Dentro de las actividades industriales, estan comprendidas los ingenios azucareros que queman sus campos de caña  de azùcar. La industria azucarera Peruana, puede y debe  ser un importante contribuyente en la creaciòn de sistemas de producciòn de hidrògeno, dentro de un marco “hidrògeno-fuentes renovables”, con un utilizo sostenible del barbojo en centrales energèticas con sistemas “gasifier-fuel cell”. Comenzando ahora la producciòón de hidrógeno del barbojo, en cada ingenio azucarero y avanzando hacia una escala de aplicación en ciudad, se puede dar un cambio real hacia una “economía Peruana basada en hidrógeno”: para satisfacer demandas energéticas locales/regionales y su utilizo en el sector transporte, de manera que se pueda iniciar una verdadera reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. La ubicaciòn estratégica de los ingenios azucareros a lo largo de la costa, permitiría crear una cadena de “estaciones de servicio de hidrógeno” ( “fuel H₂ – station” )