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Fortalecimiento de la Competitividad y Desempeño Bajo en Carbono del Sector Café en Costa Rica

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“Implementación y Evaluación Tecnológica de Gasificación en la

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Resumen ejecutivo de Gasificación en la industria del Café

© Fundecooperación para el Desarrollo Sostenible & Fondo Multilateral de Inversiones. Este documento “Resumen Ejecutivo: Implementación y Evaluación Tecnológica de Gasificación en la Industria de Café, como Alternativa para Disminuir Emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI)”, ha sido financiado por el proyecto “Fortalecimiento de la competitividad y desempeño bajo en carbono del sector café de Costa Rica”, financiado por el Fondo Multilateral de Inversiones, miembro del Grupo Banco Interamericano de Desarrollo y ejecutado por Fundecooperación para el Desarrollo Sostenible. Queda permitido reproducir esta publicación parcial o totalmente, siempre y cuando se tenga consentimiento previo de Fundecooperación para el Desarrollo Sostenible y el Fondo Multilateral de Inversiones y su autoría quede atribuida. La información y las opiniones presentadas en este documento, son las de los autores y no representan necesariamente la posición oficial del Banco Interamericano de Desarrollo.

Pulpa de Café . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

I Etapa: Estado situacional de la tecnología de gasificación de pulpa de café en Costa Rica . . . . . . . . . . . . . . . . 4

II Etapa: Puesta en marcha de tecnología comercial de gasificación de biomasa, utilizando chips de madera como alimentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

III y IV Etapa: Puesta en marcha y evaluación de la producción de electricidad, utilizando tecnología comercial de gasificación con pulpa de café como alimentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Caracterización de pulpa de café (3 zonas geográficas diferentes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Pretratamiento de la pulpa de café (prensado, secado y densificación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Análisis de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 9Operación térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Operación con generación eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

V Etapa: Plan de negocios para la implementación de la tecnología de gasificación en la industria de café como alternativa para reducir la emisión de gases de efecto invernadero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Principales conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

INDICE


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“Implementación y Evaluación Tecnológica de Gasificación en la Industria de Café, como Alternativa para Disminuir Emisiones de Gases de Efecto

Invernadero (GEI)”.

La biomasa es una fuente de energía renovable que típicamente necesita ser sometida a uno o varios pretratamientos, con la finalidad de ajustar sus características y así volverla compatible con el proceso tecnológico seleccionado para su aprovechamiento. Un subconjunto importante de los procesos donde se hace uso de la biomasa, se basa en la conversión de esta a un gas combustible (i.e. rico en hidrógeno, monóxido de carbono o metano) u otros productos intermedios, que también pueden ser utilizados para la generación de energía térmica o eléctrica. El contenido de humedad inicial de la biomasa, su composición química y acopio, así como otros pretratamientos requeridos como la densificación (hacer comprimidos para aumentar la cantidad de biomasa capaz de ocupar un mismo volumen) impactan la rentabilidad financiera de un proceso, lo que restringe en algunos casos su aprovechamiento. Tal es el caso de muchos residuos agrícolas orgánicos (RAO), dado que suelen caracterizarse por tener altos contenidos de humedad o por requerir que se dé la reducción del tamaño de sus fibras, de tal manera que puedan ser utilizados en un proceso determinado.

Aunado a esto, existen otras particularidades que pueden motivar o restringir el uso una tecnología determinada. Por ejemplo, el área disponible para las instalaciones o facilidades, la disponibilidad estacional de la biomasa en función de los períodos de cosecha, la existencia de legislación restrictiva sobre vertidos o emisiones y el acceso a capital para la inversión inicial, entre otros. Entonces, una solución sostenible debe contemplar un análisis integral de los aspectos anteriormente mencionados, sin perder de vista el objetivo de lograr una mayor eficiencia en conversión a energía y minimizar los aspectos ambientales asociados para quien decida implementar una o varias tecnologías.

Pulpa de café La pulpa de café es un RAO que se produce en gran cantidad en un corto plazo. Esto ocurre cuando se da la cosecha de café y la producción del grano de oro. Este residuo orgánico se trata actualmente con técnicas de composteo que varían de beneficio a beneficio, según su capacidad de procesamiento y la cantidad de residuo producido en un momento dado. Durante el composteo, la pulpa emite gases de efecto invernadero, dada la naturaleza misma del proceso de descomposición. Por esto, algunos miembros del sector cafetalero han implementado mejoras o modificaciones al proceso de composteo, con el objetivo de minimizar sus efectos adversos.

Algunas veces, en función del volumen de pulpa a tratar, el composteo no es un proceso fácil de controlar, manteniendo los costos operacionales asociados dentro de márgenes adecuados; especialmente si se desea minimizar el riesgo de vectores biológicos no deseados, como moscas, bacterias u otros microorganismos, o el malestar de la población vecina con el funcionamiento de la planta, por malos olores producto de la descomposición de la pulpa.

Estas situaciones atribuyen al tratamiento de la pulpa un peso importante dentro la matriz de costos del proceso de beneficiado, particularmente cuando debe llevarse a terceros para su tratamiento y transportarse a varios kilómetros de la planta. Así mismo, este costo incide en la liquidación final por fanega realizada a los productores de café (los encargados del cultivo del fruto) y, por lo tanto, se puede considerar una de las razones para la reducción de esta actividad económica o del movimiento por la independencia para el procesamiento del fruto (creación de micro-beneficios).

Por otra parte, la pulpa de café contiene fibras estructurales principalmente en el epicarpio (capa exterior), que pueden ser aprovechadas para la producción de energía. Otras partes del residuo de la pulpa de café, como el mucílago o el subproducto del prensado, así como las aguas mieles, pueden ser utilizadas en procesos húmedos como la biodigestión o fermentación alcohólica.

Este proyecto aborda los aspectos científicos y técnicos en torno a un proceso termoquímico denominado gasificación, el cual pretende la transformación de la pulpa en otros productos de valor agregado (como un gas combustible llamado gas de síntesis o syngas y carbón de origen biomásico o biochar), para así disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con el tratamiento usual de composteo. Igualmente, por medio del concepto de generación eléctrica para autoconsumo, este proceso responde a la necesidad de reducir el riesgo asociado al aumento de los costos de la electricidad en relación con la producción de café en época seca y a la reducción de malos olores o la presencia de moscas.

El análisis del proceso y el análisis financiero que se realizaron para este proyecto, permitieron obtener información valiosa para el escalamiento del proceso de gasificación y para proponer alternativas viables para los diferentes

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beneficios, según su capacidad de procesamiento.

El proyecto se estructuró en cinco etapas, que se diseñaron con el objetivo de superar barreras o generar los conocimientos necesarios para llegar a conclusiones válidas, que permitan un despliegue tecnológico de la gasificación de pulpa de café en Costa Rica. En cada etapa se abordaron temáticas específicas y a continuación se describirán los resultados principales y conclusiones de cada una.

I Etapa: Estado situacional de la tecnología de gasificación de pulpa de café en Costa Rica.

El proceso de gasificación de pulpa de café no es un tema completamente nuevo en el país. El Instituto del Café de Costa Rica (ICAFE) y otras organizaciones han realizado esfuerzos importantes en esta área. Así mismo, la investigación en torno al uso de los dos principales subproductos sólidos del beneficiado de café, la cascarilla (pergamino) y la pulpa (broza), en procesos de gasificación, se ha desarrollado desde el año 1992 con la realización de estudios y trabajos de graduación. Posteriormente, los intentos por desarrollar un proceso adecuado para la gasificación de pulpa de café, específicamente, se han visto limitados por las complejas características fisicoquímicas de la pulpa y por su alto contenido inicial de humedad. La recopilación de información, entrevistas y demás investigaciones, han permitido construir una línea temporal con las experiencias y los proyectos que han existido alrededor de esta temática, y se logró recabar datos sobre algunas especificaciones técnicas, administrativas y de inversión relacionadas.

Históricamente, se ha evidenciado un interés por desarrollar esta tecnología y por el gran potencial de este proceso en la industria del café. Cabe destacar algunas de las ventajas que conlleva la gasificación sobre otras tecnologías:

· Se puede utilizar la energía de forma continua (24 horas) o contra demanda, si el sistema se diseña para tal fin.

· Se puede producir electricidad para autoconsumo, a partir del mismo proceso productivo.

· Se evita la descomposición por procesamiento intensivo del residuo en un corto plazo, reduciendo de esta manera las emisiones de GEI y la presencia de otros vectores biológicos.


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· Se puede diseñar el consumo de biomasa en función de la demanda de energía, por medio del diseño adecuado del gasificador (reactor).

· No se necesita de temperaturas tan altas como en hornos o calderas de combustión directa, lo que permite una mejor descomposición térmica de las fibras y disminuye problemas de partículas, asociados a la presencia de cloro en la biomasa.

· Las temperaturas que se dan en los procesos de gasificación dependen del diseño del sistema y de las condiciones de operación, por lo que se puede reducir el efecto de fenómenos como las incrustaciones y la escorificación de la biomasa12 con respecto a una combustión directa, como sucede en los hornos de combustión de biomasa.

Las principales experiencias con sistemas de gasificación utilizando pulpa de café como combustible, se tienen en los beneficios de CoopeDota R.L. y CoopeTarrazú R.L. Ambos beneficios implementaron esta tecnología con resultados poco alentadores debido a la inestabilidad del proceso, la generación excesiva de compuestos indeseados como alquitranes y la emisión de compuestos orgánicos volátiles al ambiente. Por otra parte, se han tenido experiencias positivas con la gasificación de la cascarilla de café. Este material facilita el desarrollo de gasificadores debido a su bajo contenido de humedad y tamaño de partícula. Actualmente, en los beneficios Cerro Los Vindas y Monte Rosa se encuentran activos dos gasificadores de cascarilla de café.

Una conclusión valiosa del análisis realizado, es que no se evidenció una retroalimentación sistemática o articulación entre los proyectos, de tal manera que se propusieran las mejoras técnico-científicas requeridas por los sistemas, en aras de superar las barreras que limitaron la operación con pulpa de café. Entre las mejoras requeridas en los sistemas pueden mencionarse, un sistema de transferencia de calor entre las diferentes etapas del proceso, aislamiento en puntos clave del reactor, la modificación del porcentaje de humedad de la biomasa utilizada, la razón de alimentación del sistema, la razón equivalente aplicada, el tiro utilizado (ya que todas las experiencias se han llevado a cabo en reactores de lecho descendente), el análisis de la composición de gas de síntesis producido y sistemas de limpieza acordes a la naturaleza química de los alquitranes (hidrocarburos) presentes en el syngas, entre otros.

1 Estos fenómenos son el resultado de transformaciones entre constituyentes inorgánicos presentes en la biomasa. 24

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Muchos de los diseños realizados, se construyeron con base en referencias teóricas de gasificadores o por lecciones aprendidas de otras biomasas, que no son necesariamente aplicables al caso de la pulpa de café y en general no se han evidenciado insumos sobre la composición química específica de la pulpa, por lo que se vuelve difícil mantener un sistema operando de forma eficiente. Sin embargo, no han observado factores negativos asociados al proceso de gasificación en sí que no puedan ser resueltos. El informe de recopilación histórica de casos de estudio se entregó a ICAFE para el libre acceso a los interesados.

II Etapa: Puesta en marcha de tecnología comercial de gasificación de biomasa, utilizando chips de madera como alimentación.

En esta etapa se acompañó al Centro de Investigaciones en Café (CICAFE) en la selección y los procedimientos de adquisición de equipos a nivel internacional, de tal manera que se adquiriera el reactor y el equipo de densificación de biomasa que se evaluaron. Se planteó la selección y caracterización de la materia prima forestal como fuente de alimentación al reactor para su evaluación experimental, con la finalidad de poner en marcha el equipo, bajo las condiciones recomendadas por el fabricante en California, Estados Unidos. Se utilizaron chips de madera suministrados por la empresa costarricense Pelletics S.A. como colaboración.

El sitio de experimentación se preparó por parte del equipo de la Universidad de Costa Rica y el CICAFE, de tal manera que se contabilizaran las áreas requeridas para el trabajo (desensamblaje y ensamblaje, ventilación, almacenamiento, acceso del cargador, conexiones eléctricas, entre otros). Así mismo, se desarrolló e instaló el sistema de monitoreo y adquisición de datos necesario para la evaluación del sistema.

En esta etapa, también se elaboró el manual de operación del equipo en idioma español, con base en lo dispuesto por el fabricante y la experiencia obtenida a través de la operación de la unidad entorno a aspectos claves a considerar para su correcto funcionamiento. Se realizaron comparaciones de las variables de respuesta, como por ejemplo, la composición de gas de síntesis (gas combustible) y la potencia generada entre otros. De la misma manera se elaboraron protocolos de seguridad para la operación del sistema de reacción y se entrenó a personal de ICAFE; entre otros insumos y aspectos de gestión necesarios para la siguiente etapa.

En esta segunda etapa, se obtuvieron como resultados principales un indicador de rendimiento de 0,84 kWh/kg, @ 60Hz, 220V, utilizando chips o astillas de madera como biomasa de alimentación; así como, la composición del gas de síntesis, que estuvo dentro de los rangos típicos esperados para este material (CO 27,9%, H2 16,4%, CH4 6,4%, CO2 8,9%). Con madera producto de podas de cafetal se reportó un desempeño similar. Además, hubo presencia de alquitranes en el sistema, como subproducto no deseado, los cuales pueden causar atascamientos y el deterioro acelerado de la unidad. Sin embargo, se puede controlar el problema por medio de rutinas de mantenimiento (predictivo, preventivo y correctivo) adecuadas. Igualmente, es importante resaltar que la potencia nominal reportada por el fabricante, no se alcanzó en ninguna de las corridas realizadas a lo largo del proyecto de investigación. En todo caso, durante los primeros usos del equipo se logró una potencia de 15 kW, pero posteriormente este valor máximo disminuyó hasta mantenerse constante (alrededor de los 11 kW o 12 kW), debido al ensuciamiento que no se puede remover fácilmente y que se incrementa conforme se usa el equipo.

En conclusión, la verificación del sistema de gasificación comercial a pequeña escala, utilizando chips de madera como materia prima, fue aceptable, pero se evidenció una importante sensibilidad ante la cantidad de agua alimentada, así como a la geometría (o diámetro equivalente) de las partículas alimentadas al reactor y la estabilidad mecánica de dichas partículas dentro del sistema. Entonces, es razonable argumentar que se pueden aprovechar astillas, producto de las podas del cafetal y que la tecnología está en un punto de madurez adecuado para su transferencia bajo la modalidad de uso con chips o astillas de madera.

III y IV Etapa: Puesta en marcha y evaluación de la producción de electricidad, utilizando tecnología comercial de gasificación con pulpa de café como alimentación.

Estas etapas abarcaron alrededor de 10 meses de la duración del proyecto y el mayor reto operativo consistió en alcanzar un estado estable de operación, utilizando pulpa de café como materia prima, y en generar la máxima potencia posible al mismo tiempo. Con base en los resultados de la etapa II, se planteó un diseño experimental para la evaluación del desempeño del sistema de reacción, su comportamiento, la estabilidad del proceso en función del tipo de biomasa alimentada (i.e. mezclas de pulpa con cascarilla) y la calidad del gas de síntesis producido.

Se trabajaron las etapas III y IV de forma paralela, debido a la necesidad de realizar modificaciones al sistema para facilitar su correcta operación. En el “Informe Técnico: Evaluación de desempeño de la tecnología comercial utilizando residuos de café”, se pueden encontrar los resultados para la operación térmica del equipo (sin generación eléctrica) y


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en la Sección 4 de dicho informe, se detallan los resultados con generación eléctrica. Para cada corrida se elaboraron fichas técnicas que describen aspectos fundamentales de cada una de ellas, y que permiten extender ampliamente el análisis. Se operó el equipo por más de 150 horas y las corridas de evaluación con el motor y el generador activos, cubrieron más del 50% de dicho tiempo, lo que permitió conocer los retos operacionales asociados a las jornadas de trabajo de la unidad evaluada, las rutinas de mantenimiento (preventivo y correctivo) y otros detalles como el almacenamiento, preparación y rotación requeridos por la biomasa, entre otros.

Dentro de estas etapas, se destacaron algunas actividades que se resumen a continuación:

Caracterización de pulpa de café (3 zonas geográficas diferentes):

La identificación y caracterización de propiedades fisicoquímicas de un combustible sólido representa una etapa fundamental durante su investigación y aplicación, dado que el análisis composicional determina directamente la calidad, las aplicaciones potenciales y los posibles problemas ambientales relacionados con cualquier combustible. Por lo tanto, se seleccionó y caracterizó pulpa y cascarilla de café, procedentes de tres sitios ubicados a tres alturas diferentes con respecto al nivel del mar: la Zona de los Santos, Miramar de Puntarenas y Barva de Heredia. Esto se realizó con el objetivo de buscar diferencias significativas entre los parámetros fisicoquímicos relevantes, que se reportaran para los diferentes sitios de muestreo. Durante la caracterización de la biomasa, se realizó una investigación del estado del arte que contribuyera a dilucidar la existencia y/o idoneidad de las metodologías analíticas disponibles para las determinaciones de los parámetros de interés. Dado que a nivel internacional, no se encuentran metodologías estandarizadas para el desarrollo de la totalidad de los análisis para la caracterización fisicoquímica de la pulpa de café u otros RAO’s, muchos de los procedimientos analíticos utilizados se aproximaron a las normas establecidas para la madera. Las normas o procedimientos aplicados se describen en el siguiente Cuadro adjunto. No obstante, considerando que la pulpa de café proviene de un fruto y no tiene una función estructural importante como la madera, se desarrollaron algunas modificaciones a los procedimientos enfocados a la gasificación y su potencial incidencia. Estos detalles se discuten en el “Informe de Caracterización fisicoquímica de broza de café de diferentes zonas de Costa Rica”.

La caracterización de la biomasa en general, juega un rol fundamental en el diseño, análisis y rentabilidad de los procesos asociados y la capacidad para aprovechar dicha biomasa. Por estas razones, se eleva la recomendación al Sistema Nacional de Calidad, para que promueva la estandarización de los métodos analíticos para el análisis de biomasas en Costa Rica. De esta forma se podría, en alguna medida, comprender técnicamente algunas de las diferencias entre las biomasas, en términos de algunos parámetros críticos que afecten directamente la capacidad de despliegue comercial de las diferentes tecnologías disponibles.

Ahora bien, dentro de los resultados a destacar, se clasifica la pulpa de café según Vassilev et. al (2010), en función de su origen y método de procesamiento como Biomasa Herbácea y Agrícola. Asimismo, se obtuvo que el porcentaje de humedad que contiene la broza de café en su estado original es bastante alto para cualquiera de las tres zonas

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en estudio, con valores que van desde un 76,1 % para el caso del material procedente de Turrialba, hasta un 86,8 % para la broza recolectada en la zona de Miramar de Puntarenas; y se evidenciaron diferencias en el contenido de cenizas en la broza de café en función de su zona de procedencia, pero con pequeñas variaciones, en el ámbito del 9,39 % al 13,80 % en promedio, donde los mayores porcentajes son observados para las muestras procedentes de zonas con suelos altos en arcillas y material inorgánico. El contenido de material volátil y carbono fijo, determinados para las muestras de broza de café, se encuentran entre el 79,15 % y el 82,63 %, y entre un 3,41 % y el 8,8 % respectivamente. Con base en los resultados de carbono y otros componentes de la pulpa, se puede deducir que es posible generar una cantidad de gas similar a partir del aprovechamiento de la pulpa de los tres lugares estudiados. Si se compara la pulpa con otras biomasas como la cascarilla de

arroz, se puede observar que, en promedio, la pulpa de las tres zonas donde se muestreó, presenta una cantidad de carbono fijo de apenas el 40% del carbono fijo reportado en la literatura para la cascarilla de arroz. Es decir, que la pulpa de café tiene la capacidad de producir más gas combustible que la cascarilla de arroz, el arundo donax o el bagazo de caña, por ejemplo. Sin embargo, el porcentaje de ceniza es ciertamente más alto en la pulpa de café que en las astillas de madera, lo que podría limitar la cantidad de horas de operación de una unidad gasificadora o de combustión directa, dependiendo del diseño seleccionado o el sistema mecánico que se instale para la remoción de cenizas.

Por otra parte, los elementos más abundantes en la pulpa corresponden al calcio, potasio, magnesio y fósforo, en distintas proporciones. Las variaciones se adjudican, al carácter altamente heterogéneo del material y a la posibilidad de la presencia de materia inorgánica y macronutrientes absorbidos del suelo. En comparación a la madera se midieron menores cantidades de calcio, estaño, hierro, magnesio y sodio en la pulpa, contrariamente al contenido de potasio, característico de biomasas herbáceas y agrícolas. El potasio es un modificador de redes cristalinas y podría generar aglomeraciones dentro del reactor, por lo que se deben trabajar tiempos de residencia acordes al tipo de gasificador y las temperaturas de trabajo, previniendo el desarrollo de puntos calientes dentro de la cámara. Esto es importante, en consideración de las metas de conversión diseñadas para aprovechar el máximo carbono presente en dicha biomasa si es un gasificador de lecho descendente; si es un reactor de lecho fluidizado esto se puede mejorar sustancialmente. En cualquiera de los casos, el carbono volátil no convertido permanecería como parte de un biochar enriquecido.

El método de determinación del contenido de hemicelulosa, celulosa y lignina para las muestras de pulpa de café, permitió obtener valores en promedio en las tres zonas de 12,95%, 20,75% y 10,8%, respectivamente. Si se compara el total de fibras estructurales en relación con el total en la madera y la cascarilla de arroz, la pulpa de café tiene 42% y 25% menos que esas biomasas, respectivamente. Considerando además, que el resultado de contenido de nitrógeno y azufre elemental fue tan bajo y que el porcentaje de materia volátil es alto, se puede deducir que la pulpa de café contiene un porcentaje cercano al 35% de compuestos formados por una serie de compuestos de bajo peso molecular (fracción hidrosoluble o extraíbles, compuestos lipofílicos y polares), que pueden favorecer el proceso de gasificación, si se trabajan a bajas temperaturas para un adecuado manejo de la fase gaseosa y sólida dentro del sistema.

Los valores obtenidos para el poder calorífico de la pulpa de café se encuentran entre 16,2 y 17,0 MJ/kg, sin evidencias de poseer diferencias significativas en función de la zona de procedencia del material y con un valor competente respecto a madera.

Pretratamiento de la pulpa de café (prensado, secado y densificación):

Se prepararon tres niveles de mezcla cascarilla-pulpa, para la evaluación de estabilidad mecánica de la biomasa. Esto con la finalidad de evitar desintegración durante su tránsito dentro del reactor, facilitar su manipulación y almacenamiento, y minimizar los residuos del proceso de densificación (en adelante llamada pelletización). A raíz de que la broza se obtiene entre un 80-85% de humedad (base húmeda ó WB) del proceso de pulpeo se aplicó un prensado. Se encontró que posterior a esta operación, se reduce un 10% el contenido de agua en la broza (base húmeda), pero además remueve mucílago y algunos sólidos disueltos y suspendidos, y rompe el epicarpio o capa externa de la pulpa, dejando mayor área


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superficial expuesta, lo que parece facilitar el secado subsiguiente. Igualmente, este pretratamiento implica una reducción importante de masa más que de humedad, lo que tiene un impacto importante en costos de transporte. No obstante, para conocer las razones científicas por las cuales disminuye el tiempo de secado , se debe analizar la velocidad de secado de la humedad no ligada, la cual parece no verse afectada por el prensado, y se desconoce si la humedad crítica o la velocidad de secado es diferente en etapas posteriores. La energía medida de consumo que se invierte en dicho pretratamiento fue de 4,2

kWh por tonelada de broza humedad en una prensa helicoidal con motor de 10 Hp.

El proceso de secado solar de la broza permite llegar a humedades bajas de hasta 10% o menos sin necesidad de gasto en combustible o electricidad. Evidentemente, la relación área-grosor necesaria de la cama de secado, limita el volumen a procesar en este otro pretratamiento y es un factor crítico dependiendo de la capacidad de procesamiento de un beneficio, o en su defecto, los picos de producción durante la cosecha. Igualmente, es importante destacar, que no se requiere llegar a valores tan bajos de humedad, sino que para densificar la broza, se necesita que ésta se encuentre en un ámbito de humedades entre 40% y 50%; las cuales han mostrado ser convenientes para realizar la subsecuente operación de pelletizado.

Se estudió el proceso de pelletizado y como resultado se obtuvo que la pulpa con valores menores de humedad (por debajo del rango establecido), no son estables y se tienden a desmoronar, mientras que pellets muy húmedos tienden a formar una pasta en la pelletizadora y también se desmoronan si llegara a formarse el pellet. (WB: base húmeda).

Análisis de proceso:

Inicialmente, se operó el prototipo sin el funcionamiento del motor, a lo que se llamó “operación térmica”, para evaluar preliminarmente la formación de alquitranes a raíz de la composición química de la pulpa de café y para proteger el sistema de generación eléctrica. La primera diferencia que se aprecia al operar el gasificador con los pellets de pulpa de café, es el aumento en la caída de presión que se da en el lecho del gasificador. La caída de presión es mayor al operar debido a una mayor densidad del lecho en el gasificador y un desmoronamiento prematuro en función del nivel de humedad del pellet, lo cual reduce la cantidad de espacio libre en este para el flujo del gas con respecto a los chips de madera, por lo que las corridas térmicas se caracterizaron globalmente, pero, de forma paralela, se inician las modificaciones al sistema para su uso en “operación con generación eléctrica”.

Pasadas

Producción de pellets en base seca (kg/h)

Flujo de biomasa por pasada (kg pasada/h)

Humedad inicial (% WB)

Humedad final (% WB)

Pérdida de masa (% m perdida/m inicial)

Potencia promedio global consumida (kW)

Potencia promedio de pelletizado consumida (kW)

2

5-6

157,0

314,0

30-50

25-45

16,3

19,5

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Operación térmica

Los resultados obtenidos durante las corridas en este modo de operación, en cuanto a la composición del syngas, mostraron que no hay diferencia significativa entre los niveles de mezcla de pulpa y cascarilla utilizados como alimentación, considerando un nivel de significancia del 5%. Si se evalúa el riesgo sobre aceptar el anterior criterio no siendo este cierto (en probabilidad llamado error tipo II), éste tendría implicaciones menores o leves para los tomadores de decisión; en cuanto a que no perderían sobre el costo-oportunidad del uso de la cascarilla, ya que ésta no se destinaría para la preparación de mezclas y seguiría aprovechándose en los hornos. En el gráfico adjunto se muestran los valores para dos de los gases combustibles de interés, con respecto al tipo de mezcla utilizada como alimentación. La mezcla 90/10 produce un flujo similar de syngas a un menor consumo de biomasa y una menor tasa de acumulación de cenizas en el ciclón que la mezcla 80/20, lo que se relacionaría con un mayor periodo de operación entre limpiezas. No obstante, dicho resultado se debería analizar con mayor profundidad si se desea trabajar con esa configuración de gasificador.

Aunque la implementación del sistema comercial de gasificación adquirido para operación térmica prolongada implicaría realizar algunas inversiones menores, como una fuente de alimentación de 12 V y al menos 500W, pareciera ser una alternativa para el calentamiento de aire utilizado en el secado de grano, si se desea ajustar. Los equipos auxiliares, como los sopladores, no están fácilmente disponibles en el país y son repuestos que no pueden sustituirse sin cuidado por cualquier alternativa similar en el mercado, ya que deben ser sellados por una cuestión de seguridad, para evitar la combinación del syngas (gas combustible) con el aire. Por esto, es necesario crear líneas estratégicas de suministros de ciertos materiales con importadores directos. La producción y calidad del syngas se ve afectada por el hecho de operar de forma térmica, ya que el flujo decae con respecto a los rendimientos observados cuando opera el motor y la pirólisis no se lleva a cabo adecuadamente. Así mismo, al operar de esta forma se presentan otros problemas operativos como el ensuciamiento excesivo de los sopladores, y otras desventajas, por lo que no se recomienda esta operación.

Conversión de carbono (%)

Des. Std. Conversión de carbono (%)

80/20 90/10

1,73 2,22

0,22 0,26

1,702,70

0,57

95,05 98,53

0,34

1,53 2,01

Mezcla

Rendimiento de syngas (Nm3/kg)

Des. Std. Rendimiento de syngas (Nm3/kg)

Razón equivalente (adim)

Des. Std. Razón equivalente (adim)


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Corrientes entrantes: Corrientes salientes: Biomasa alimentada ( ) � Syngas producido ( Aire alimentado ( ) � Cenizas en el ciclón (

� Cenizas del reactor ( � Acumulación en el sistema de limpieza (

entrantes: Corrientes salientes: Biomasa alimentada ( ) Syngas producido ( )

) Cenizas en el ciclón ( ) Cenizas del reactor ( ) Acumulación en el sistema de limpieza ( )

⎝

⎜⎛

1 1 −1 −1 −1 −1, , − , − , − , − ,, , − , − , − , − ,, , − , − , − , − ,, , − , − , − , − , ⎠

⎟⎞

⎝

⎜⎜⎛

⎠

⎟⎟⎞

=

⎝

⎜⎛

00000⎠

⎟⎞

Operación con generación eléctrica

En esta etapa se realizaron y se evaluaron más de 26 corridas. El análisis y manejo de datos implicó un reto importante ya que la generación ascendió a millones de datos y se requería un mecanismo eficiente y riguroso que permitiera llegar a conclusiones válidas en la medida de lo posible. En este punto, el criterio experto fue necesario para descartar e inferir sobre los errores en los balances, promediar adecuadamente, entre otros. La metodología desarrollada en el marco del proyecto es un aporte valioso que facilita el procesamiento de datos para el análisis de este tipo de procesos.

Los balances de masa y el análisis de las variables medidas, proporcionan información analítica que permite concluir que la humedad de la biomasa es determinante, en términos de brindar estabilidad al sistema, mas no así en la composición o calidad del syngas producido, para este sistema de lecho descendente.

Sobre la mezcla broza/cascarilla no hubo diferencia significativa entre los niveles estudiados, por lo que se recomienda trabajar con pellets 100% de broza, con humedad entre 16 y 18% (base seca). Por otra parte, se debe considerar que hay una incidencia estacional importante en el suministro de materia prima, por lo que no se recomienda utilizar lotes de rechazo porque los residuos pueden venir contaminados o con cantidades de cascarilla o broza descompuesta que no se pueden controlar,

al punto de imposibilitar la operación del sistema. La evidencia experimental mostró un comportamiento anómalo en los regímenes de flujo y caída de presión dentro del reactor, por presencia de tierra u otros componentes como los anteriormente citados. Esto será objeto de otras investigaciones en el futuro, pero se recomienda que la pulpa se manipule en una loza de concreto o algo similar, donde no se exponga a contaminación.

El sistema comercial implementado, muestra deficiencias en términos de la capacidad del depósito de remoción de cenizas y la baja absorción de alquitranes en el filtro proporcionado por el fabricante. Y este elemento parece afectar los costos variables de un proyecto de esta naturaleza, por lo que, se recomienda aplicar el proceso con otra configuración de reactor, si la capacidad de procesamiento de un beneficio lo permite. Se han recomendado algunos lineamientos e ideas para la correcta operación del sistema de limpieza, de tal manera que se minimice el tiempo fuera de operación de la unidad, con la finalidad de que afecte el factor de planta y su vez, la rentabilidad del sistema de gasificación.

En cuanto a la composición de gas combustible (también llamado gas de síntesis o syngas) una vez implementados los cambios descritos anteriormente, se cuantificó la siguiente composición promedio CO (22,5±1,4)%, CH4 (15,5±2,6)%, H2 (17,3±1,2)%, CO2 (16,8±1,9)%, CV (8,7±1,1)MJ/Nm3. Si se compara con el promedio obtenido cuando se ensayó en la Etapa II con chips madera, se observa un menor porcentaje de CO con respecto a chips de madera, sin embargo, no se ve afectado su poder calórico o alguna afectación en la potencia generada.

En resumen, la evaluación de parámetros del gasificador de lecho descendente, muestra que, es técnicamente factible gasificar pulpa de café o broza en el reactor comercial evaluado, mostrando valores competitivos con respecto a

Intercambiador de calor

Bypass

#1

#2

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otras biomasas como materia prima, tal como lo es su eficiencia de gas frío CGE, o la conversión de carbono (CC), si se realizan las modificaciones al sistema comercial según se ejecutaron en el proyecto; esto para asegurar una operación estable de al menos 8 horas continuas. En términos del equipo en sí, se sugiere incrementar la calidad o mejorar algunos elementos que componen al sistema, o en su defecto, construir una unidad propia que satisfaga las particularidades del uso de esta materia prima. El consolidado de estos parámetros se observa en el cuadro adjunto con los indicadores de desempeño promedio de la gasificación de broza de café, durante la operación con generación eléctrica.

V Etapa: Plan de negocios para la implementación de la tecnología de gasificación en la industria de café como alternativa para reducir la emisión de gases de efecto invernadero.

Esta última etapa caracteriza los resultados técnicos del proyecto desde una perspectiva financiera, socioeconómica y ambiental, tomando como base los resultados del prototipo industrial, así mismo se incluyen dentro del análisis las consultas realizadas de diferentes instrumentos legales, el modelo de negocios actual, nuevos emprendimientos en biomasa, planes nacionales y entrevistas o consulta Focus Group con tomadores de decisión. La estrategia propuesta para el negocio de gasificación de broza de café, se centra en la reducción de gases de efecto invernadero (GEI), considerando una economía de escala sobre la producción de café a nivel nacional. Esto significa que, dependiendo de la capacidad de producción, se proponen alternativas diferentes para el aprovechamiento de este residuo, con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Se propuso en modelo de negocios CANVAS y se analizó cada una de estas secciones que lo componen.

Como parte de los principales resultados se evidenció que, la factibilidad financiera de la implementación tecnológica puede variar, en función de las condiciones bajo análisis y a las características específicas de un beneficio determinado. Por tal razón, se creó una herramienta versátil que permite evaluar escenarios, y el usuario puede analizar casos con base en la capacidad de producción. Se consideran aspectos técnicos, como la estacionalidad de la cosecha y aspectos económicos, como el impacto en la tarifa de la electricidad por la aplicación de la normativa para Planeación, Operación y Acceso, al Sistema Eléctrico Nacional (POASEN), específicamente para la Generación Distribuida para Autoconsumo. Para realizar la demostración de análisis del prototipo comercial utilizado en las corridas experimentales

en ICAFE, se tomaron suposiciones de la curva de producción nacional de las últimas seis cosechas, los datos promedio de costos reportados por el ICAFE en sus Informes de Actividad Cafetalera, entre otros, que se describen en el Informe de Análisis de Factibilidad Financiera de Escenarios para la Reducción de GEI. Para el cálculo de la reducción de emisiones de GEI, comparando con la práctica de composteo, se utilizó el valor entregado por ICAFE en unidades de kgCO2e/fanega de 14,72; 10,38 para composteo con volteo y composteo sin volteo, respectivamente. Para la medida de las emisiones en el sistema de gasificación, se utilizó el factor medido por el Centro de Contaminación Ambiental (CICA) de 3,97 kgCO2e/fanega. Por esto, la reducción en emisiones dependerá de tratamiento real aplicado en casos específicos, pero en el presente

Rendimiento de syngas SY (Nm3/kg) @ 11kW demandaDes. Std. Rendimiento de syngas (Nm3 /kg)Razón equivalente ER (adim.)Des. Std. Razón equivalente (adim.)E�ciencia del gas frío CGE (%)Des. Std. E�ciencia del gas frío (%)Conversión de carbono CC (%)Des. Std. Conversión de carbono (%)Rendimiento eléctrico (kWh/kg) @ 11 kW demandaDes. Std. Rendimiento eléctrico (kWh/kg)E�ciencia térmica global del sistema TGE (%)Des. Std. E�ciencia térmica global del sistema (%)

1,450,273,430,4781,710,491,91,140,510,0910,21,5


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proyecto se consideró el escenario más conservador. Dentro de la herramienta elaborada, se pueden combinar procesos y/o decisiones gerenciales sobre el porcentaje o ruta de tratamiento de la pulpa a aplicar y muchos aspectos propios de cada Beneficio, de tal manera que la simulación pueda generar datos acordes a su operación específica y realizar una solicitud de capital de inversión más robusta. Además, si se desea utilizar la herramienta como parte de un sistema de gestión, ésta podría ofrecer un mecanismo sencillo para el proceso de medición, registro y verificación de las emisiones evitadas, con el cual se puede dar seguimiento y vincular evidencia para potenciales procesos de acreditación. Dentro del presente informe se detallan las variables consideradas y algunos de los escenarios concretos que pueden ser de interés para el sector cafetalero de Costa Rica.

Así mismo, se consideran en los escenarios, las particularidades de la normativa del sector cafetalero, donde se establece los mecanismos de pago y/o para cada segmento de dicha cadena de valor. Este aspecto es fundamental, debido a que los beneficios deben mantener su salud financiera por la naturaleza del tipo de “reconocimiento” que puede hacer el ICAFE según lo establece la legislación en el área, y a su vez tomar decisiones con el menor riesgo para los asociados, si son cooperativas, o inversionistas, si es una empresa privada. Por otra parte, los productores de café tienen el interés de que se les retribuya más dinero o no verse afectados por cambios en el beneficiado, y obtener mejores productos para la sostenibilidad de los cafetales. Para cada escenario propuesto se obtuvo parámetros financieros, incluyendo aspectos sensibles (como la inversión para el secado de la pulpa por ejemplo), la tasa interna de retorno (TIR) y un valor actual (VAN) de las propuestas por capacidad de procesamiento del beneficio, de tal manera que se pueda comprender cuáles son las condiciones y su impacto financiero para un inversionista determinado, el beneficio como tal y el productor de café. Su resumen es:

2 Los impuestos y el flujo de caja neto del flujo de caja con financiamiento, deben ser iguales a la suma de los impuestos y el flujo de caja neto de los flujos de caja del beneficio y el productor. Siempre que haya financiamiento, los impuestos y el flujo de caja neto del flujo de caja con financiamiento, serán diferentes de los impuestos y el flujo de caja neto del flujo de caja puro.

Distribución de los costos y utilidades planteados para el cálculo de los flujos caja de acuerdo con la Ley 2762.

Flujo de caja Puro Con financiamiento Del beneficio Del productor

Ingresos+ Directos + Directos + Directos -

+ Indirectos + Indirectos + 9% Indirectos + 91% Indirectos

Costos

- Inversión - Inversión - Inversión -

- Variables - Variables - 9% Variables - 91% Variables

- - + Depreciación - Depreciación

- Mant. & Rep. - Mant. & Rep. - 9% Mant. & Rep. - 91% Mant. & Rep.

- - Intereses - Intereses -

- Imprevistos - Imprevistos - 9% Imprevistos - 91% Imprevistos

- Gastos generales - Gastos generales - Gastos generales -

Utilidad neta

- Escudos fiscales - Escudos fiscales - Escudos fiscales -

- Impuestos - Impuestos2 - Impuestos - Impuestos

Cierre

+ Escudos fiscales + Escudos fiscales + Escudos fiscales -

- - Amortización - Amortización -

- + Préstamo bancario + Préstamo bancario -

= Flujo de caja neto = Flujo de caja neto = Flujo de caja neto = Flujo de caja neto

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Fanegas procesadas (fan/año)

1 000 30 000 70 000 100 000 170 000

Variables financierasTipo de cambio (CRC/USD)

560,00 560,00 560,00 560,00 560,00

Inversión (CRC) 1.305.217,12 47.632.392,04 93.296.373,85 94.167.677,99 648.672.054,68 Inversión (USD) 2.330,74 85.057,84 166.600,67 168.156,57 1.158.342,95 Tasa de interés (%) 13,0 13,0 13,0 13,0 8,0Períodos (años) 5 5 5 5 10Financiamiento (%) 80 80 80 80 100Evaluación financieraTasa de descuento (%) 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0Flujo de caja puroVAN (CRC) 767.827,27 14.588.684,53 42.319.543,67 63.971.496,64 177.190.156,11 TIR (%) 29,6 20,5 25,4 32,5 15,7PBP (años) 2,3 2,8 2,6 2,2 4,7Flujo de caja financiadoVAN (CRC) 721.807,44 12.909.244,18 39.030.065,89 60.651.298,10 253.726.730,77 TIR (%) 80,0 45,2 63,5 91,2 -PBP (años) 1,0 1,5 1,2 0,9 -Flujo de caja beneficioVAN (CRC) 0,00 0,00 0,00 0,00 18.967.101,99 TIR (%) 10,0 10,0 10,0 10,0 -PBP (años) 3,4 3,4 3,4 3,4 -Flujo de caja productorVAN (CRC) 721.807,44 12.909.244,18 38.982.530,34 60.651.298,10 234.759.628,78 VAN (CRC/fan año) 144,36 86,06 111,38 121,30 138,09 Descripción

Secado solar3 y una

Una prensa de 550 kg/h, un secador de 450 kg/h y una pelletizadora de 250 kg/h.



Una prensa de 2750 kg/h, un secador de 2200 kg/h y un gasificador fluidizado 850 kg/h.

3 Si se quisiera utilizar un secador, la capacidad requerida sería de 45 kg/h de broza fresca, con un costo de inversión estimado de 4000 USD, lo que volvería no rentable la operación; por lo que se necesitaría un alternativa de secado con un costo de inversión máximo de $1200 y la misma capacidad de secado.

pelletizadora de 100kg/h


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4 El porcentaje de diferencia de pellets elaborados, se debe colocar en el mercado con un precio de venta de ¢24,40/kg al menos.5 La capacidad de las prensas viene referenciada a la producción de broza prensada en la salida de la prensa; para tener el valor en términos del consumo de broza fresca, debe dividirse la capacidad por un factor de 0,55. 6 La capacidad de los secadores viene referenciada al consumo de broza prensada húmeda a la entrada de los mismos. 7 La capacidad de las pelletizadoras viene referenciada a la tasa de producción de pellets húmedos a su salida. 8 Si se quisiera utilizar un secador, la capacidad requerida sería de 45 kg/h de broza fresca, con un costo de inversión

Fanegas procesadas (fan/año)

1 000 30 000 70 000 100 000 170 000

Distribución de la producción

Fracción de los pellets disponibles utilizados como

reemplazo de leña (%)4

68,6 55,3 75,5 68,0 -

Características operativas

Emisiones evitadas (tCO2e/año) 14,7 353,3 766,5 860,1 1428,4

Reducción de emisiones (%) 97,6 77,3 71,6 56,2 54,8

Broza fresca procesada (%) 100,0 80,3 74,7 58,6 75,6

Reducción en costos de electricidad (%)

-15,9 -7,1 -5,7 -3,7 25,7

Capacidad utilizada (%) 10,1 35,2 53,9 45,3 50,7

Descripción5,6,7

Secado solar8 y una




Una prensa de 2750 kg/h, un secador de 2200 kg/h y un gasificador fluidizado 850 kg/h.

pelletizadora de 100kg/h

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PRINCIPALES CONCLUSIONES:

• Según los resultados obtenidos en el presente proyecto y considerando las suposiciones realizadas a lo largo del análisis, se puede afirmar que técnica y financieramente sí es factible gasificar pulpa de café o broza, aplicando condiciones operacionales adecuadas en función del sistema de gasificación utilizado; asimismo, el acondicionamiento adecuado de la alimentación.

• Dependiendo de la capacidad del procesamiento de un beneficio, se plantean alternativas rentables para la reducción de emisiones de GEI, por lo que se motiva al sector a su implementación paulatina para un mejor desempeño ambiental.

• Se debe trabajar paralelamente la cadena de valor para que se fortalezca el desarrollo de grupos interesados como proveedores, talleres u otros nodos de servicios requeridos en el despliegue tecnológico de gasificación de pulpa de café.

• El aprovechamiento de los residuos orgánicos agrícolas RAOs para la generación de energía y/o productos complementarios al “negocio base” de la agroindustria, permitiría crear una cartera de nuevos productos y servicios en el área tecnológica, en línea con la propuesta para que Costa Rica se presente globalmente como un “Laboratorio Verde”, considerando que el mercado interno es pequeño.

• Un avance que mezcle la experiencia y la herencia agropecuaria del sector cafetalero, con la ciencia y la tecnología, puede contribuir a fortalecer un esquema de sistema productivo especializado en la zona rural con mayor estabilidad en términos de sostenibilidad ambiental, económica y social.

• Se recomienda profundizar el análisis de la vida útil de la broza en patios, el proceso de secado necesario para lograr las condiciones propuestas de entrada al gasificador, la integración energética de corrientes de gases exhaustos, el estudio de aprovechamiento del jugo de prensado y la sustitución de leña en hornos de biomasa.


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