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Novedades en maquinaria para cosecha de biomasa para bioenergía en el Farm Progress Show 2014 
24° Viaje de capacitación técnica a Estados Unidos – INTA / COOVAECO

 

Los combustibles fósiles son cada día un recurso más escaso y por ende más costoso. En este sentido los países desarrollados están avanzando fuertemente en el uso de energías renovables, entre las cuales la energía derivada de la biomasa o bioenergía está muy ligada al sector agropecuario. 

Estados Unidos no es sólo el principal productor de maíz con unas 370 millones de toneladas, sino que además es el principal productor de etanol en base a este grano con unas 214 plantas productoras en el país (destinando casi un tercio de la producción de maíz para etanol). Sumado a este gran desarrollo del proceso de producción de etanol de primera generación (1G), en los últimos años se ha investigado y desarrollado la producción de bioetanol de segunda generación (2G), ya sea mediante residuos de cosecha (principalmente maíz) o cultivos energéticos lignocelulósicos dedicados para ese fin como el Miscanthus, Switchgrass, Sorgos de alta producción de biomasa y otras plantas forestales como álamos híbridos o eucaliptus de rápido crecimiento. 

En la visita del contingente argentino a la Universidad de Iowa, el Ing. Agr. Diego Ortiz (investigador de INTA Manfredi que está realizando su doctorado sobre mejoramiento de sorgos para bioenergía en esa prestigiosa universidad), señaló que durante los próximos meses entrarán en producción 4 plantas de bioetanol de segunda generación, tres de éstas en el Estado de Iowa y una en Kansas; las plantas serán Poet (Emmetsburg, Iowa); DuPont (Nevada, Iowa); Quad County Corn (Galva, Iowa); y Abengoa Bioenergy (Hugoton, Kansas). Cada planta procesará unos 700.000 fardos, o sea que entre las 4 pueden procesar 1.120.000 toneladas a 3,7 kg de biomasa en base seca por litro de etanol y se estarían produciendo unos 302 millones de litros de etanol celulósico por año en estas 4 plantas.

En la presentación para el grupo de 60 productores argentinos, el especialista del INTA mostró las diferentes opciones que ofrece el sorgo para la generación de bioenergía, ya sea para biocombustibles líquidos de primera y segunda generación, como para procesos termoquímicos. 

En relación a esto último, comentó que en lo que respecta a producciones de sorgo lignocelulósicos o biomásicos, en el programa de mejoramiento llegaron a obtener producciones de 30 toneladas de materia seca en promedio con algunos materiales de 44 t/ha. 

En un principio, la materia prima principal para estas plantas de bioetanol de segunda generación serán rollos y megafardos de los residuos de cosecha de maíz, ya que por las condiciones climáticas frías del cinturón maicero de EEUU, la alta proporción de superficie con rotación maíz/maíz, y los altos rendimientos del cultivo se crea un exceso de rastrojo que causa problemas en la producción. Para solucionar el exceso de rastrojo en superficie, desde hace varios años diferentes universidades vienen investigando sobre los efectos de la extracción del mismo mediante distintos métodos y tasas máximas de extracción que no comprometan la sustentabilidad del suelo. También se estudian cultivos de cobertura de rápido crecimiento para compensar el carbono, controlar malezas y capturar el Nitrógeno que se puede perder por lixiviación.

Los estudios demuestran que las tasas de extracción de rastrojo de hasta un 30-40% pueden aumentar un 10% el rendimiento del maíz en las rotaciones de maíz - maíz. Estos estudios también sugieren que las tasas de eliminación de rastrojo o MOG (material no grano, por su sigla en inglés) de menos del 30% son sostenibles y el sistema no requiere de nitrógeno adicional y fosfato (fertilización normal). 

Debido a que la ventana de siembra es tan pequeña en el cinturón maicero, esta menor cantidad de residuos de cosecha ayuda a que la temperatura del suelo sea más elevada (que cuando permanece la cobertura); la anticipación en la ventana del ciclo productivo produce siembras más tempranas y una mejor emergencia de las semillas (por menor cámara de aire) y además se traduce en un menor riesgo de heladas tempranas que también pueden ocasionar pérdidas importantes de rendimiento. 

La solución tradicional que se viene realizando para la recolección de este residuo es mediante el corte-hilerado y la confección de un megafardo o rollo del rastrojo posterior a la cosecha. En este sentido una de las novedades la presentó la empresa Hiniker, con una cortadora a mayal e hileradora para rastrojos con opciones de 4,5 a 9,1 m de ancho de labor (15 a 30 pies). La ventaja de este sistema es que corta y realiza un hilerado simultáneo del rastrojo con bajo contacto con el suelo, evitando altos contenidos de tierra o cenizas, un factor muy perjudicial tanto para los procesos de bioenergía como para la transformación en alimento animal.

Imagen de máquina cortadora hileradora trabajando en un rastrojo de maíz. 
Fuente: http://www.hiniker.com/ag_products%20new/movies/windrower-2014.html 

En lo que respecta al método tradicional de recolección de biomasa posterior al hilerado, la maquinaria más utilizada en la actualidad es la megaenfardadora, ya que por capacidad de prensado y forma de presentación final posee ventajas en la logística del transporte hacia la planta de aprovechamiento (más kg por camión). En este sentido las empresas que ofrecen máquinas de confección de forrajes: Grupo Agco (Hesston y Massey Ferguson), el Grupo CNH (New Holland) y la compañía alemana Claas, han adaptado su línea de forraje hacia la recolección de biomasa y están ofreciendo máquinas especiales para tal fin.

En el caso de Massey Ferguson, desde el año 2013 está ofreciendo la serie de megaenfardadoras XD, que están preparadas para trabajar con material con mayor contenido de tierra y lignocelulósico (más duro que el forraje convencional). Desde Claas, la megaenfardadora Quadrant también está preparada para la recolección de este tipo de biomasas, al igual que la línea de recolección de forraje de la empresa New Holland (que como dato curioso, en el stand de la exposición capacitaba a los “farmers” americanos con videos sobre bioenergía).

 

Imágenes del stand de Claas mostrando su megaenfardadora Quadrant y sus cosechadoras 
que en EEUU se venden bajo la marca Lexion.

  

 

Imágenes del stand de New Holland con videos sobre bioenergía y con muestras de los 
diferentes tipos de biomasas como granos y cultivos lignocelulósicos para bioenergía.

  

 

Megaenfardadora serie XD especial para biomasa lignocelulósica (Massey Ferguson y Hesston).

Una gran novedad en relación a la recolección de biomasa la presentó la empresa Hillco Technologies en convenio con la empresa John Deere, que consiste en la recolección de residuos de cosecha antes que el material llegue al suelo. Las principales ventajas de este sistema son la mayor limpieza del material al no tener contacto con el suelo y la posibilidad de realizar la recolección en una sola pasada junto a la cosechadora. 

El sistema se llama SPRB (por su sigla en inglés: Single Pass Round Bale System) o “sistema de enrollado de residuos en una simple pasada”. Consiste básicamente en la unión entre una cosechadora, una enrolladora y un sistema de acumulación de material no grano o residuo de cosecha que se ubica entre ambas máquinas que funcionan en tándem. 

La cosechadora necesita un cabezal maicero que posea los rolos espigadores encontrados en el final de su recorrido, cortando la planta de maíz unos centímetros debajo de donde se encuentra la espiga (8º nudo), además el fósforo y el potasio se concentran en la base del tallo y es conveniente dejarlo en el rastrojo. La porción superior de la planta es la que ingresa a la cosechadora y todo el material no grano (chala, marlo y parte de tallos y hojas) es el que se va dirigir hacia el acumulador de biomasa que se ubica entre la cosechadora y la rotoenfardadora y es accionada por el sistema hidráulico de la cosechadora y controlada también por el sistema eléctrico de la misma. 

 

Dibujo del sistema SPRB de Hillco y Jhon Deere. 
Fuente: http://www.hillcotechnologies.com/jb510.html 

Luego del proceso normal de trilla todo el material no grano se dirige hacia el triturador de la máquina, ese residuo triturado es direccionado mediante una cigüeña hacia un sistema de acumulación de residuos; cuando se llena se activa automáticamente la enrolladora y confecciona el rollo y lo expulsa, sin necesidad de detener las máquinas en ningún momento. En el momento que expulsa el rollo el acumulador de biomasa sigue recibiendo residuos o material a enrollar. 

Mediante este sistema (SPRB) se quita del lote en promedio 1,8 a 3,1 t/ha (0,8 a 1,4 t/ac), dependiendo de la zona, variedad y rendimiento del maíz cosechado que afectarán las tasas de remoción MOG (material no grano) recomendados. Los rollos que se confeccionan son de hasta 720 kg (1750 lbs) con un 18% de humedad en promedio, siendo sus medidas máximas de 1829 mm de diámetro por 1565 mm de ancho. Si se calcula que en un maíz de buen rendimiento se pueden obtener 4 rollos de 720 Kg/ha, teniendo en cuenta que la conversión de biomasa tal cual sale del campo (18% humedad) es de 4,5 kg por litro de etanol, se estaría produciendo unos 640 litros de etanol de segunda generación/ha. 

 

Imágenes de rollo en rastrojo del maíz y de la máquina trabajando a campo. 
Fuente: http://www.hillcotechnologies.com/jb510-media.html 

Este tipo de sistemas de recolección de biomasa en tándem ya se había visto en años anteriores a nivel experimental en el centro de investigación de bioenergía del Biocentury Research Farm de la Universidad de Iowa, con megaenfardadoras accionadas por el hidráulico de la cosechadora o con motores propios enganchadas detrás de la cosechadora, pero no a nivel comercial como se presentó en esta oportunidad en la 61° exposición del Farm Progress Show en EEUU.

 

Máquinas cosechadoras de granos y biomasa a nivel experimental del centro de bioenergía 
de la Universidad de Iowa. Izquierda con accionamiento hidráulico de la cosechadora y derecha 
con motor propio. 
Fuente: http://www.biocenturyresearchfarm.iastate.edu/ 

 

 

Vista aérea del Centro de Bioenergía de la Universidad de Iowa. Es uno de los más avanzados del mundo 
en la temática y es visitado anualmente en el viaje de capacitación técnica de INTA/COOVAECO. 

  

Vista aérea del Centro de Bioenergía de la Universidad de Iowa. Es uno de los más avanzados del mundo en la temática y es visitado anualmente en el viaje de capacitación técnica de INTA/COOVAECO.

Como se comentó anteriormente es muy importante que la biomasa tanto para uso bioenergético como para alimentación animal posea el menor contenido de cenizas posible. Al comparar este nuevo sistema con el sistema de recolección de biomasa tradicional, se observa que los rollos del sistema SPRB se componen de maíz, cáscaras, mazorcas y hojas, y además con menor contenido de cenizas que el sistema tradicional (3,6% vs 12,06% en sistema tradicional).

 

Sistema SPRB de cosecha de biomasa en el stand de Hillco en el Farm Progress Show.

Además, comparando este sistema con el de recolección tradicional en el cual el rastrojo queda en contacto con el suelo, el SPRB posee una mayor eficiencia por menor tiempo, menor mano de obra, menor equipamiento y es más económico; es también importante y beneficioso para zonas frías en donde el tiempo entre la cosecha y la primera nevada es muy acotado. 
 

Potencialidad de uso de esta tecnología en Argentina

Esta fuente de biomasa puede ser utilizada no solo para procesos de producción de bioetanol de segunda generación, sino que también es usada para procesos bioenergéticos termoquímicos como pirolisis, gasificación o uso directo en calderas, o como alimento del ganado bovino (participando en dietas con alto contenido de WDGS o burlanda húmeda). Detalles importantes a tener en cuenta en Argentina, dado que la burlanda húmeda pone a muchos sistemas de producción de carne (feedlot) frente a una necesidad de fibra efectiva para las dietas altas en concentrados. Frente a esta extracción de carbono (rastrojo) del suelo se la debe comparar con un rastrojo de maíz picado (para pensarlo y estudiarlo bien).
 

Bioetanol de segunda generación

La aparición del carbono nuevo (biomasa) frente al carbono viejo (petróleo o combustible fósil), es una buena alternativa para el sector agropecuario. El recurso fósil no se agotará en lo inmediato, pero es un hecho que cada día será más costoso extraerlo, se va acabando el petróleo de fácil extracción (100 U$S/barril), por lo que las proyecciones son a mediano plazo un petróleo de 150 U$S el barril y allí muchos procesos biomásicos en estudio que hoy no son rentables pasarán a serlo, incluido el producido mediante el cultivo de algas. 
Como se comentó anteriormente los biocombustibles de Segunda Generación (2G) son aquellos obtenidos a partir de materias primas lignocelulósicas que incluyen residuos de cosecha de cultivos y/o cultivos que son producidos solamente para generación de energía, llamados “cultivos energéticos”. 

Los componentes de la biomasa incluyen celulosa, hemicelulosa, lignina, extractivos, cenizas y otros compuestos. La celulosa, hemicelulosa y lignina son los tres mayores componentes de la biomasa de las plantas. La celulosa es un polisacárido de unidades de glucosa que sirven como principal componente estructural de las paredes celulares. La hemicelulosa es un polisacárido menos complejo que puede ser fácilmente desglosado en monosacáridos simples, azúcares simples.

Al igual que en el caso en el proceso de producción de bioetanol de primera generación el mismo se produce de la fermentación de azúcares simples. Esto conlleva a que la primera etapa para la producción de bioetanol a partir de material lignocelulósico sea la desestructuración de la pared celular vegetal para separar los componentes mayoritarios: celulosa, hemicelulosa y lignina. 

Esta obtención de los azúcares complejos (celulosa y hemicelulosa) más la lignina se puede obtener por procesos químicos o físicos y luego para la obtención de los azúcares simples que irán a fermentación se realiza una hidrólisis enzimática. En todos estos procesos previos a la fermentación es muy importante la menor cantidad de tierra o cenizas posibles en la biomasa.

El rastrojo de maíz está compuesto por alrededor de 70% de celulosa y hemicelulosa, y 15 a 20% de lignina. La celulosa y hemicelulosa pueden ser convertidas a etanol, y la lignina puede ser quemada como combustible de calderas para generar vapor/energía eléctrica en la misma planta, siendo estas plantas de etanol de segunda generación un verdadero ejemplo de producción holística donde nada se tira y todo se transforma.

Los resultados obtenidos del proceso de producción de bioetanol de segunda generación en base a residuos de cosecha de maíz indican una conversión de 1 litro cada 3,7 kg de biomasa en base seca. Las plantas que procesarán esta biomasa pagarán unos 85 U$S/t por lo que los productores facturarán unos 200 a 250 U$S/ha más del rastrojo extraído para este fin (menos gasto de flete). La relación costo/beneficio indica que solo es posible realizarlo a menos de 45 km de la planta.

Tomando como ejemplo la cosecha de granos de una maíz e 10.000 kg/ha, se extraen 4.000 litros de etanol y si a eso le sumamos 2,5 t de residuos (fardos) se añaden 675 litros de etanol, lo cual mejora la ecuación energética del etanol/maíz, pero también se debe descontar la energía de confección y trasporte de la biomasa quedando todavía energéticamente en desventaja con el etanol de caña de azúcar, pero también se debe considerar en la ecuación los 3.000 kg/ha (rendimiento 10 ton/ha) de burlanda en base seca, subproducto de alto valor nutritivo para dietas de rumiantes y monogástricos. 

Actualmente en Argentina este co-producto de la producción de etanol se utiliza casi todo como burlanda húmeda (un 75% en feedlot y 25% en producción láctea bovina), pero en un futuro cercano más del 50% de la burlanda será seca y de ella una gran parte se destinará al mercado exterior. 

En Argentina se podría estudiar la extracción de residuos de cosecha en zonas del sudeste de la provincia de Buenos Aires con paja o rastrojo de cereales de invierno de más de 8.000 Kg/ha de grano. Tambien en secuencias de rotación trigo/maíz en varias regiones del país y/o en sistemas productivos bajo riego por aspersión con rotaciones muy intensivas con altos volúmenes de rastrojos. 

Además, podría ser factible en el sistema de producción de caña de azúcar donde en nuestro país ya se está realizando el megaenfardado del residuo de cosecha (malhoja) con destino a bioenergía, esta idea de una empacadora en tándem podría ser una buena opción ya que con el sistema usado, similar al tradicional de EEUU, el residuo llega a destino bioenergético o de uso animal con un alto porcentaje de tierra o cenizas generando grandes problemas en calderas y/o menor calidad de alimento animal. 

Como se observa el bioetanol de segunda generación con cultivos energéticos y residuos de cosecha es una realidad en EEUU. En Argentina ya avanzamos en la producción de bioetanol de primera generación con 6 plantas de producción que tienen capacidad de moler 1,5 M/t de maíz por año. ¿Por qué no comenzar a analizar con más detalle en nuestro país, especialmente en las zonas antes mencionadas, donde los residuos de cosecha son un problema sin sacrificar la sustentabilidad de los sistemas productivos el bioetanol de segunda generación?
 

Conclusiones

Argentina es un país muy rico en recursos naturales (1 ha productiva/habitante) y es muy avanzado en la producción de grano (soja/maíz/trigo/girasol/sorgo) encontrándose con una estrecha brecha de rendimiento respecto a países desarrollados. Pero falta avanzar en el agregado de valor y trabajo a la producción de esos granos, entender que la agricultura moderna y la sustentabilidad son deberes de todos los argentinos y que la sustentabilidad incluye lo social. 

En otras partes del mundo, como por ejemplo EEUU a partir de los granos y biomasa producidos por una hectárea de campo de 20.000 U$S/ha se genera en un radio no mayor a los 50 km actividades industriales que agregan valor como ser la industrialización de los granos en alimentos humanos de consumo directo, diferentes alternativas de bioenergía (a partir del grano y residuos de cosecha, chips de madera, efluentes pecuarios produciendo biogás, bioelectricidad y biofertilizante), mediante biorefinerias se generan nuevos productos como bioplásticos o bioinsumos, diferentes actividades pecuarias transforman los commodities en proteína animal (leche, carnes, huevo, etc.), utilizando en gran parte diferentes subproductos agroindustriales (burlanda húmeda y seca, gluten feed, etc), otras energías renovables como la energía eólica, energía solar fotovoltaica, ambas entre medio de los lotes de soja y maíz. El alquiler que cobra un dueño de un campo por los molinos eólicos instalados en su campo es de 2.750 U$S/ha y en promedio se instalan 4 molinos eólicos cada 40 acres o 1 molino cada 4 hectareas. En Argentina faltan dólares porque los consumimos importando energía (en el año 2013 la importación de energía fósil fue de 15.000 M/U$S). La balanza comercial del país en el mismo año fue de 8.900 M/U$S positiva. 

Los avances tecnológicos indican que en la producción de commodities se seguirá reduciendo enormemente el uso de la mano de obra en la producción primaria; máquinas más grandes y cada vez más automatizadas (robots sin operarios), más biotecnología para que el potencial productivo se exprese al máximo con la menor intervención del productor, sumado a la agricultura y ganadería de precisión para automatizado e informatizado manejo por ambientes y muchas otras cosas reducirán más el precio de los granos o materias primas “commoditizadas”.
Para incrementar el valor y los puestos de trabajo en el campo será necesario la instalación asociativa de biorefinerías o agroindustrias holísticas en origen, donde nada se tire y todo se transforme. Estas plantas de industrialización deberán hacerse en el medio de los campos, para que los empleados sean los productores part-time y su familia, generando más trabajo en el interior productivo, con ciudades de menos de 100.000 habitantes conectadas a las nubes de telecomunicación. Se avecina una verdadera revolución del negocio agropecuario a partir del suelo, el agua, el aire y la fotosíntesis. Los países que lo entiendan y aprovechen tendrán un desarrollo sustentable, lo otros se quedarán con producciones “commotizadas” de bajo valor y muy pobre en la sustentabilidad de los recursos naturales, económicos y de desarrollo de las familias rurales (campos sin productores y pueblos de viejos).

Argentina tiene todo para lograrlo y en la última década el sector creció de manera cuantitativa y cualitativa. Tener 500 argentinos en una expo tecnológica como el Farm Progress Show en EEUU, muestra que los argentinos tenemos sed de nuevas tecnologías y capacidad para desarrollarla localmente, las inversiones nos esperan, direccionemos los recursos hacia un país agroalimentario desde origen. Un día de indefinición será un día de oportunidades perdidas.

Las metas son llegar al 2020 con autosuficiencia energética y con una matriz energética más amigable con el ambiente. Además, con una valorización de las exportaciones de commodities y MOAs (Manufacturas de Origen Agropecuario y Agroindustrial) de alto valor agregado de 100.000 M/U$S de exportación como lo indica el Plan Estratégico Agroalimentario (PEA 2020), pero eso no alcanza si no lo hacemos con desarrollo territorial con más trabajo genuino en origen, con más productores.

 

Autores: 
Ing. Agr. Mario Bragachini ( bragachini.mario@inta.gob.ar ), Ing. Agr. Marcos Bragachini ( bragachini.marcos@inta.gob.ar ), Ing. Agr. Diego Mathier ( mathier.diego@inta.gob.ar ) , Ing. Agr. Federico Sanchez ( sanchez.federico@inta.gob.ar ). Técnicos de INTA EEA Manfredi, pertenecientes al Programa Nacional Agroindustria y Agregado de Valor (PNAyAV). 
 
INTA E.E.A. Manfredi   
Ruta 9, km 636 (5988) Manfredi. Pcia de Córdoba.  
Tel: 03572 - 493039 / 53 / 58 -  
E-mail: eeamanfredi.agroind@inta.gob.ar    Web: www.cosechaypostcosecha.org  - www.inta.gob.ar  
 

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