Cambio climático. Efectos antropogenicos. Producción de energía. Fuentes de bioenergía.

1. Dendroenergía: Plantaciones
Forestales hacia la Producción de
Biomasa para Múltiples Propósitos.
Edwin A. Esquivel S. Ph D
Marzo 2015
Dagoberto Arias Ph D
Elemer Briceño Ph D
Mario Guevara M Sc
Adrián Chavarría M Sc
Diego Camacho MBA
Ileana Moreira M Sc
Elizabeth Arnáez M Sc
Rodolfo Canessa M Sc

2. Antecedentes
• Cambio Climático.
• Efectos Antropogénicos.
• Producción de energía.
• Fuentes de bioenergía:
solar, eólica, geotérmica, hídrica,
de las olas o mareomotriz.

3. Qué tipo de bioenergía tiene los árboles?
“La biomasa es considerada
como un reservorio de una
parte de la energía solar,
conservada en forma de
energía química”.
Karp & Shield 2008

4. Dendroenergía
• ICE promueve la generación
de energía de biomasa.
• Dendroenergía
– Plantaciones
dendroenergéticas
– Aprovechamiento de
residuos

5. Experiencias en Otros Países
• Canadá
• Estados Unidos
• España
• Alemania
• Italia
• Bélgica
• Reino Unido
• Finlandia
• Noruega
• Suecia
• Brasil
• México
• India
• China
• Chile
• Red Latinoamericana
de Cooperación
Técnica en
Dendroenergía
• MADELEÑA

6. Especies Utilizadas en Dendroenergía
• Acacia cyanophylla, A.
dealbata, A. melanoxilon.
• Acer negundo.
• Ailanthus altissima.
• Alnus spp.
• Brachychiton populnea.
• Castanea sativa.
• Casuarina
cunninghamiana,
C. equisetifolia.
• Celtis australis.
• Ceratonia siliqua.
• Eucalyptus camaldulensis,
E. globulus,
E. gomphocephala,
E. hemiploia, E. robusta,
E. rudis, E. teriticornis,
E. xideroxilon.
• Ficus sp.
• Fraxinus sp, F. angustifolia.
• Gleditsia triacanthos.
• Grevillea robusta.

7. Especies Utilizadas en Dendroenergía
• Populus sp.
• Prosopis spp.
• Quercus ilex, Q. petraea,
Q. pirenaica, Q. faginea,
Q. robur, Q. suber.
• Robinia pseudoacacia.
• Salix spp.
• Schinus molle.
• Tectona spp.
• Ulmus pumilla.
• Gmelina arborea.
• Liquidambar orientalis.
• Morus alba, M. nigra.
• Melia azedarach.
• Parkinsonia aculeata.
• Pinus canariensis,
P. pinaster, P. radiata,
P. sylvenstris.
• Pistacia atlántica.
• Platanus orientalis.
(Marcos & Campos 2002, Sixto et al. 2007, Dickmann 2006 y Mann and Tolbert 2000)

8. Densidades Utilizadas
Relacionado con:
• La especie
• La cosecha
• La Edad de rotación
• Otros posibles productos
• 1000 árboles ha-1
• 2000 árboles ha-1
• 5000 árboles ha-1
• 310000 árboles ha-1

9. Dendroenergía
• Dendroenergía, Plantaciones
dendroenergéticas.
– 3 a 5 años y rotaciones de hasta 30
años.
– 12 Mg ha-1.
– Rangos de 5 a 20 Mg ha-1 año-1 de
biomasa o de 10 a 30 m3 ha-1 año-1 de
madera.
Aylott et al. 2008, Baral &Guha 2004, Dickmann 2006

10. Sustentabilidad
Ambiente
Sociedad
Economía
La biomasa forestal es una fuente de
energía renovable que puede ser
manejada sustentablemente (Richardson
& Verwijst, 2007)
La sustentabilidad depende de varios
factores, entre ellos de las operaciones y
la economía de la producción de la
materia prima, la productividad del sitio y
las mejoras en las prácticas silvícolas
(Richardson, 2006)

11. Ventajas y Desventajas
Bioenergía Biocombustibles
Ventajas
- Balance energético 1: 2-36 - Se puede almacenar por más
tiempo sin perdidas energéticas.
- La generación de calor
puede ser utilizada en otros
procesos.
- Los motores de combustión
interna requieren pocas
modificaciones.
- Fácilmente almacenable sin
pérdidas energéticas.
Desventajas
-Podría económicamente no
ser competitivo al comparar
con otras fuentes de energía.
- La tecnología no permite
aprovechar la potencialidad de
energía que contiene la biomasa.
- Puede ser causante de
emisiones contaminantes.
- Existen problemas cuando la
flota vehicular es vieja.
(Marcos, 2009; Sanhueza 2009)

12. Bioenergía o Biocombustibles
• Ventajas
• Desventajas
Bioenergía Biocombustibles
- Es más eficiente. - Se puede almacenar por más
tiempo.
- Fácilmente almacenable sin
pérdidas energéticas
- La generación de calor puede
ser utilizada en otros procesos.
- Los motores de combustión
interna requieren pocas
modificaciones.
- No compite económicamente
con otras fuentes de energía
eléctrica.
- Existen problemas cuando la
flota vehicular es vieja.
- Puede ser causante de
emisiones contaminantes.
- La tecnología no permite
aprovechar la potencialidad de
energía que contiene la
biomasa.

13. Ganancia Comparativa de Distintas Técnicas
Silvícolas en CFCR y Plantaciones Tradicionales
0 20 40 60 80 100
Fertilización Intensiva con P
Drenaje/Volumen suelo
Mejora Genética
Riego
Plantas y plantación
Densidad/Largo Rotación
Fert. Establecimiento
Prep. Suelo
Control de Malezas
Fertilización M. Rota
% Ganancia Neta
CFCR
Tradicional
Mead D., 2005.

14. Bio-Productos
• Aglomerados
(durpanel o trupan)
compuestos madera
plástico.
• Residuos, briquetas,
pellets, chips, aserrín,
como fuentes de
calor.
• Syngas, biorefinerías.

15. ¿Mitigan el efecto invernadero?
• Aumentan los reservorios de carbono no
atmosférico mediante tres vías:
– Aumento del secuestro de carbono fijándolo en
la biomasa y en el suelo.
– Manteniendo el carbono ya secuestrado.
– Sustitución de combustibles fósiles.
Ilustración Peter Roberntz
Santori et al. 2006, Ericsson 2003, Baral &Guha 2004

16. ¿Cómo asegurar la mitigación?
• i) la cantidad de tierra disponible para la producción
sostenible.
• ii) el monto de carbono conservado o secuestrado
por unidad de área en la plantación o el suelo bajo
las condiciones de manejo dadas.
• iii) el periodo de tiempo que este carbono queda
conservado o secuestrado.
• iv) los diferentes usos y vida útil de los productos de
madera.
• (v) el costo de conservar y preservar el carbono.
Brown 1996

17. Efectos en Suelo
• Exposición del suelo mineral.
• Compactación.
• Disminución de la porosidad de suelo.
• Erosión.
• Reducción de materia orgánica y carbono del suelo mineral.
• Disminución de la disponibilidad de nutrientes.
• Aumento de la lixiviación.
• Disminución de la biota del suelo.
• Cambios en la capacidad buffer del suelo.
• Aumento de los procesos de descomposición de la MO.
• Cambios en la temperatura del suelo.

18. Efectos Ambientales
• Erosión.
• Aumento de la lixiviación.
• Disminución de la biota del suelo.
• Cambios en el balance del agua en el ecosistema.
• Disminución del crecimiento de la plantación.
• Efectos a nivel de paisaje.
• Diversidad genética.
• Gases efecto invernadero ?

19. Aspectos a considerar en el
establecimiento
• Debe realizarse una adecuada selección del sitio (Kauter et al.,
2003) (Mead, 2005).
• Selección de la especie y la densidad de la plantación, corregir
problemas de drenaje, deficiencias de nutrientes y disponibilidad
hídrica en el suelo, y control de malezas son actividades que
deben tomarse en cuenta (Mead, 2005).
• El control de malezas los primeros años y post cosecha es
esencial para asegurar un buen rendimiento de la plantación
(Kauter et al., 2003).

20. Ciclaje de Nutrientes
ARBOL
PISO FORESTAL
SUELO
REMOVILIZACIÓN
LIXIVIACIÓN
DEL DOSEL
CAIDA DE
HOJARASCA
ABSORCIÓN
DE LA
PLANTA
INMOVILIZACIÓN
LIXIVIACIÓN DE LA
HOJARASCA MINERALIZACIÓN
METEORIZACIÓN
LIXIVIACIÓN
DEL SUELOS
LLUVIA,
POLVO
CICLO
GASEOSO

21. Efectos de las Cosechas
• El aprovechar árboles completos podría afectar
negativamente los rendimientos de estas plantaciones en el
corto, especialmente en áreas donde el crecimiento es
limitado por nitrógeno (Stupak et al., 2007).
• La extracción de nutrientes en suelos marginales puede
disminuirse mediante rotaciones más largas (10 a 12 años), lo
que ayuda a aumentar los incrementos medios de la
plantación (Kauter et al., 2003).

22. Cosechas Forestales
Efectos sobre el suelo:
– Compactación de suelo.
– Aumento en la incorporación
de materia orgánica.
– Aumento de la velocidad de
descomposición de la materia
orgánica (Yanai et al., 2000).

23. Carbono de suelo
Sitio
Profundidad
(cm)
Especie
(Sp)
Densidad
(Den) Sp*Den Edad SP*Edad
Den*
Edad
SP*Den*
Edad
Granítico
0-20 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 0,897 0,527 0,944
20-40 0,229 0,003 0,128 <0,001 0,292 0,353 0,512
Arenales
0-20 0,595 0,242 0,979 <0,001 0,039 0,017 0,513
20-40 0,011 0,251 0,604 <0,001 0,768 0,248 0,302
Valores p del análisis de varianza del efecto de los tratamientos y sus interacciones
en la concentración de carbono analizado en el suelo, año 2011.

24. Sitio Graníticos
20
30
40
50
60
70
4 11 16 23 28 36 40 48
5000
7500
10000
Carbono
(Mg
ha
-1
)
Edad (meses)
Línea base
a
ab
b
a
b
b
Profundidad 20-40 cm
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
A. melanoxylon E. camaldulensis E. nitens
5000
7500
10000
Carbono
(Mg
ha
-1
)
Línea base
Profundidad 0-20 cm

25. Dendroenergía vs Tradicionales
≠
Dinámica de carbono
Eficiencia en el uso de nutrientes
Distribución de la captura de carbono aéreo
Eficiencia en el uso de Agua

26. Biomasa a partir de
residuos de
plantaciones forestales
Potencial más de 50.000 ha de
plantaciones (FONAFIFO)
Se estiman 25 mil hectáreas de
plantaciones privadas

27. Residuos después de la cosecha de madera
de raleos en plantaciones de Teca
20-25 toneladas ha-1 materia verde
Material se trocea, se acopia a hombro y
se carga en camiones con capacidad de
18 a 22 toneladas
Caso de los raleos de plantaciones forestales en Guanacaste

28. Caso de cosechas finales de plantaciones
Material se trocea, se acopia a hombro y
se carga en camiones con capacidad de
18 a 22 toneladas

29. Casos de cosecha de rebrotes o del manejo
de los rebrotes (Teca y Melina)
Material se trocea, se acopia a hombro y
se carga en camiones o se puede astillar en campo
15 a 20 toneladas ha-1

30. Acopio de la biomasa en un núcleo de astillado
Se transporta desde las fincas
a un radio de 20 km, dependiendo de las condiciones
puede extenderse hasta 100 km

31. Madera de plantaciones
Madera de árboles nativos
Madera de árboles nativos se recibe directamente en el
núcleo de astillado y se paga por metro estéreo

32. Hay diferentes exigencias del mercado y precios:
1. Hay un mercado en las empresas de alto consumo de biomasa y que buscan la sustitución de
hidrocarburos (búnker).
2. Astillas de madera de plantación tienen mejor precio, por su beneficio a la carbono neutralidad en las
empresas.
3. Astillas tamizadas para un tamaño de partícula más pequeño tienen mejor precio.
4. El mercado premia contenidos de humedad de 30% o menos.
Mercado emergente para biomasa forestal
Actualmente hay empresas que están procesando de 60 a 80 toneladas/día.
Se está en capacidad de procesar 300 toneladas/día

33. HOLCIM

34. *García (2009). Tesis. Análisis termo-económico de una central cogeneradora con
biocombustibles
Operación y eficiencia de materiales biomásicos en comparación con el búnker

37. Experiencias de producción de biomasa
a partir de plantaciones de alta densidad
(modelo propuesto por el TEC)

39. Sitios
Tarrazú
Upala
Taboga
Coopeagri

42. 1/20/2016 42

43. 43

44. 44

45. 45

47. Caso de Ingenios
Uso de biomasa forestal

49. Resultados
Figura 1. Ataque de roedores en G. sepium.

50. Resultados
Figura 2. Diámetro (mm) y altura (cm) de Gliricidia sepium y Gmelina arborea a los 12 meses de edad.

51. Resultados
aa b
c d
0
5
10
15
20
25
30
5000 10000 20000 5000 10000 20000
0-20 20-40
Ca
(cmol(+)/L)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
5000 10000 20000 5000 10000 20000
0-20 20-40
CICE
(cmol(+)/L)
0
2
4
6
8
10
5000 10000 20000 5000 10000 20000
0-20 20-40
pH
(H
2
O)
Figura 3. Niveles promedios observados en la especie Gmelina arborea en las distintas densidades observadas (5000, 10000 y
20000 árb ha-1) y en las profundidades 0-20 y 20-40 cm para (a) Calcio (Ca (cmol(+)/L)), (b) Capacidad de Intercambio Catiónico
Efectiva (CICE (cmol(+)/L)), (c) pH (H2O) y (d) Fósforo (P (mg/L)).
0
50
100
150
200
250
300
5000 1000020000 5000 1000020000
0-20 20-40
P
(mg/L)

52. Proyectos colaborativos del TEC para el impulso del uso y
transformación de biomasa forestal
- Plantaciones forestales bioenergéticas ITCR-VIE-MICITT- Empresas forestales- Ingenios-Beneficios
- Sistemas agroforestales en pastura para producción de madera y biomasa forestal VIE-TEC
- Manejo de plantaciones de bambú guadua ITCR-VIE-ITEC-INTA-MAG
- Manejo de bosque secundarios al noreste de Costa Rica: potencial bioenergético ITCR-MINAE
- Caracterización de pellets de especies lignocelulósicas ITCR-VIE-Empresas forestales
- Biodiesel a partir de Jatropha curcas ITCR-UCR-UNA-MAG- México-Nicaragua-Brasil-Colombia
- Implementación de un gasificador (0,25 MW) para autoconsumo ITCR-Grupo Cuestamoras
- Producción de biocarbón y su uso como enmienda mejoradora de suelos
- Prototipo de gasificador a pequeña escala

53. Pasos a Seguir
• Realización de proyectos escalables
• Aprovechamiento de las plantaciones
• Gasificación
• Incentivos
• Mercado de Carbono
• Silvicultura de precisión

54. Muchas Gracias
Edwin A. Esquivel S.
Tel:(506) 2550 2511 /(506) 8812 2273
Correo eesquivel@itcr.ac.cr
hddedwin@gmail.com