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Pesquisa Fapesp 20 Años

El desafío de la generación de bioenergía

La revista testimonió el esfuerzo de la ciencia brasileña para viabilizar el uso de subproductos del sector de azúcar y alcohol en la producción de electricidad y etanol 2G

Terreno preparado para el cultivo de caña de azúcar con restos de paja; en segundo plano, el cañamelar

Léo Ramos Chaves

La extracción indiscriminada de la paja de la caña de azúcar para la producción de bioelectricidad y etanol celulósico, también denominado de segunda generación (2G) tiene sus riesgos, según se advierte en estudios publicados recientemente en la revista Bioenergy Research. En uno de los artículos, los investigadores arribaron a la conclusión de que el retiro de la paja que queda en el campo después de la zafra puede incrementar la demanda de fertilizante para el suelo. “La novedad principal de este trabajo residió en que se midió la cantidad de nutrientes presente en las hojas de la caña y se calculó la necesidad de reponer fertilizante NPK [un compuesto de nitrógeno, fósforo y potasio] en función del volumen de paja extraída”, explica el ingeniero agrónomo Maurício Roberto Cherubin, del Departamento de Ciencia del Suelo de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz en la Universidad de São Paulo (Esalq-USP), con en la localidad de Piracicaba.

El estudio, realizado en colaboración con científicos del Centro de Energía Nuclear en la Agricultura de la USP y del Laboratorio de Biorrenovables del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (LNBR-CNPEM), reveló que la exportación potencial de los nutrientes que contiene la paja al retirar ese material acarrea un costo promedio adicional de 90 dólares (unos 380 reales) por hectárea en fertilizantes, un monto que puede variar en función de las fluctuaciones del precio del producto y de las negociaciones que puedan llevar a cabo las empresas.

Se testearon diversos escenarios, que consideraron los componentes de la paja (hojas verdes o secas) y diferentes grados de remoción de la biomasa (sin extracción; remoción baja, un 25% del total; moderada, un 50%, y completa, el 100%). A partir de ellos, los investigadores calcularon el aumento en el consumo de fertilizante NPK en el cultivo de la caña de azúcar en la región centro-sur del país, que concentra el 90% de la producción brasileña. Las proyecciones indican que, incluso sin remoción de la paja, la demanda de fertilizante crecerá en un 80% para 2050, en función de la evolución del área plantada y del aumento de las dosis aplicadas por los productores. En el caso del retiro completo del material (un escenario extremo, aunque poco probable), el estudio apuntó que el consumo de fertilizante podría duplicarse, en comparación con el manejo sin remoción. El incremento adicional en los escenarios intermedios (con un 25% y un 50% de remoción de la paja), más acorde a la realidad de las centrales productoras, podría llegar a un 14% y un 28%, respectivamente.

“Uno de los beneficios principales que aporta la paja, a corto plazo, reside en que mantiene la humedad en el suelo. Funciona como una capa protectora, evitando la pérdida de humedad por evaporación y protegiendo al suelo contra los procesos erosivos. Simultáneamente, colabora con el ciclo de nutrientes y con la incorporación de carbono al suelo”, dice el agrónomo João Luís Nunes Carvalho, investigador del LNBR y coautor del artículo. En ese proceso, los nutrientes presentes en el suelo se absorben y acumulan en la planta durante su crecimiento para luego retornar al suelo cuando la planta muere y se descompone. “Los resultados de este estudio y de otros que salieron publicados en los últimos meses evidencian que la paja cumple una función doble, porque tiene buen potencial para su utilización en la producción de bioenergía [etanol 2G y bioelectricidad] y resulta esencial para la sostenibilidad del suelo. Les cabe a los agricultores la elección del camino más sostenible para el uso de esa biomasa”.

En el LNBR, Nunes Carvalho forma parte del equipo responsable del Projeto Sucre (Sugarcane Renewable Electricity), cuya meta consiste en elevar la producción de electricidad con baja emisión de gases de efecto invernadero en la industria de la caña, por medio del uso de la paja. “El manejo adecuado de esa biomasa es esencial para no causar impactos negativos en el cultivo”, dice el investigador, haciendo hincapié en que Brasil produce 80 millones de toneladas de paja por año. Según él, el 33% de la energía que contiene la caña está concentrada en la paja, mientras que otro 33% se encuentra en el bagazo y el 33% restante, en el jugo que se usa para la producción de azúcar y alcohol. El Projeto Sucre, que arrancó en 2015, cuenta con recursos de las Naciones Unidas y finalizará el año que viene.

Eduardo Cesar Cosechadora de caña de azúcar en el interior paulista: los culmos se acopian en el camión mientras que la paja vuelve al campoEduardo Cesar

Primeras investigaciones
Los estudios volcados a la reutilización de la paja y del bagazo de la caña de azúcar para la generación de bioenergía se remontan a más de tres décadas atrás. “Tres instituciones de investigación contribuyeron en forma decisiva para que Brasil desarrollara la tecnología y los métodos necesarios como para generar electricidad y etanol 2G a partir de los subproductos del sector sucroenergético: la Esalq, el Centro de Tecnologia Canavieira [CTC] de Copersucar [empresa comercializadora global de azúcar y etanol] y el Instituto Agronómico [IAC], de Campinas”, destaca el agrónomo Carlos Eduardo Pellegrino Cerri, del Departamento de Ciencia del Suelo de la Esalq.

Por el lado del sector productivo, según Zilmar José de Souza, gerente de bioelectricidad de la Unión de la Industria de la Caña de Azúcar (Unica), el carácter pionero les cupo a las centrales São Francisco, en Sertãozinho, São Martinho, en Pradópolis, y Vale do Rosário, en Morro Agudo, todas en la región de Ribeirão Preto (São Paulo). “En 1987, ellas fueron las primeras en exportar sus excedentes de energía a la red eléctrica nacional. En aquella época, solamente se usaba el bagazo de la caña para la generación de energía, mediante su incineración en calderas”, relata Souza. “Hoy en día, las 369 centrales que operan en el país producen electricidad para consumo propio, y alrededor de 200 le venden energía a la red”, dice.

El sistema de generación de energía a partir del bagazo –y también de la paja– es relativamente sencillo. En primer lugar, el material se quema en una caldera, produciendo vapor de alta presión. A continuación, ese vapor impulsa a una turbina que, a su vez, hace funcionar a un generador eléctrico, produciendo electricidad. El vapor a baja presión que sale de la turbina todavía posee energía térmica, que se utiliza en diversos procesos, entre los cuales se cuenta el calentamiento y evaporación del jugo de caña para la producción de azúcar.

La producción simultánea de energía eléctrica y térmica en el proceso industrial se denomina cogeneración.

En los últimos 20 años, en diversos artículos sobre el tema, Pesquisa FAPESP siguió la evolución de los estudios que situaron a Brasil a la vanguardia de la generación de bioenergía a partir de los residuos del sector sucroenergético. En 2001, el investigador Isaías de Carvalho Macedo, por ese entonces asesor para el área de energía de la Rectoría de la Universidad de Campinas (Unicamp), vaticinaba que “el bagazo y la paja de la caña podrían transformarse, a mediano plazo, en importantes componentes de la matriz energética brasileña”. En la actualidad, la biomasa de la caña de azúcar provee alrededor del 4% del consumo eléctrico del país.

Los reportajes de tapa de las ediciones nº 122 y 149 de Pesquisa FAPESP se enfocaron en la generación de bioenergía

El etanol 2G
En aquella época, las investigaciones en pos de la producción de etanol de segunda generación ya avanzaban. En 2002, Copersucar y el grupo Dedini, uno de los principales fabricantes de maquinaria y equipamientos para el sector de azúcar y alcohol, presentaron una tecnología bautizada Dedini Hidrólisis Rápida (DHR), que demostraba que se podía producir etanol a partir de la celulosa presente en el bagazo de la caña. Ese proceso se desarrolló con la ayuda de la FAPESP.

En 2008, la investigación brasileña abocada al etanol 2G cobró nuevo impulso mediante la creación del Programa FAPESP de Investigaciones en Bioenergía (Bioen), cuyo objetivo consistía en articular actividades de investigación y desarrollo utilizando laboratorios académicos e industriales para promover el avance del conocimiento y su aplicación en áreas relacionadas con la producción de bioenergía. En el marco de la ceremonia de lanzamiento del Bioen, el director científico de la FAPESP, Carlos Henrique de Brito Cruz, destacó su importancia para estimular el desarrollo del etanol de segunda generación, objeto de investigaciones científicas en diversos países del mundo. Desde 1997, la Fundación financió 146 ayudas a la investigación o becas relacionadas con el etanol de segunda generación.

Hoy en día, la producción de etanol 2G es una realidad en el país, aunque no haya alcanzado la dimensión esperada. La compañía Raízen, líder nacional en la producción de azúcar, etanol y bioenergía, bajo control de Cosan, empresa de infraestructura y energía, y de la petrolera Shell, hace cinco años que procesa etanol celulósico, denominado así porque se elabora a partir de la celulosa de la paja y del bagazo, y no de la sacarosa del jugo de la caña de azúcar, tal como ocurre con el etanol convencional. En la última zafra de 2018-2019, Raízen sacó el mercado 16,5 millones de litros de ese producto, un volumen aún muy acotado si se lo compara con los 2.500 millones de litros de etanol que produce la compañía. La capacidad instalada de la central que Raízen posee en Piracicaba es de 40 millones de litros.

Otra empresa que invierte en el etanol 2G es la paulista GranBio, titular de la central BioFlex, con sede en São Miguel dos Campos, estado de Alagoas. Esa unidad comenzó a operar en 2014, pero debió interrumpir su producción dos años después por problemas que surgieron en el pretratamiento de la carga de caña de azúcar. En 2017, el último registro disponible apuntó una producción de 28 millones de litros de etanol 2G, de los cuales 5 millones se exportaron a Estados Unidos. Para este reportaje, se intentó que Raízen y GranBio comentaran las cifras que figuran más arriba, pero ambas empresas no se manifestaron.

Los expertos del sector sucroenergético señalan que el camino para la implementación de esta tecnología ha sido más largo y costoso de lo que se calculaba. Uno de los retos radica en mejorar la eficiencia de las enzimas que convierten en azúcar a los polímeros de celulosa y hemicelulosa presentes en el bagazo y en la paja. Otro desafío es perfeccionar algunas etapas del proceso productivo, haciendo hincapié en la recolección de la paja en el campo que, dependiendo de cómo se realiza, llega a la central mezclada con arena, pudiendo comprometer el funcionamiento de las maquinarias.

Proyectos
Implicaciones de la expansión e intensificación del cultivo de la caña de azúcar en los servicios ecosistémicos del suelo (nº 18/09845-7); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Maurício Cherubin (USP); Inversión R$ 167.967,48

Hay otras 38 ayudas a la investigación y 105 becas concedidas por la FAPESP referentes a etanol de segunda generación.

Artículo científico
CHERUBIN, M.R. et al. Sugarcane straw removal: implications to soil fertility and fertilizer demand in Brazil. Bioenergy Research. 1º ago. 2019.

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