Caracterización energética de Quercus robur L.

DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN PROPIEDADES TERMOFÍSICAS DE FLUIDOS Y BIOMATERIALES (PTFB) Programa de Doutoramento en Enerxías Renovables e Sustentabilidade Enerxética FACULTADE DE FÍSICA Caracterización energética de Quercus robur L. Alberto Jesús González Rodríguez Tese de Doutoramento SANTIAGO DE COMPOSTELA 2015 DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN PROPIEDADES TERMOFÍSICAS DE FLUIDOS Y BIOMATERIALES (PTFB) Programa de Doutoramento en Enerxías Renovables e Sustentabilidade Enerxética FACULTADE DE FÍSICA Caracterización energética de Quercus robur L. Alberto Jesús González Rodríguez Tese de Doutoramento SANTIAGO DE COMPOSTELA 2015 José A. Rodríguez Añón, María Villanueva López y Jorge Proupín Castiñeiras, Profesores Titulares de Universidad del Departamento de Física Aplicada de la Universidade de Santiago de Compostela (USC), INFORMAN: Que la memoria titulada “Caracterización energética de Quercus robur L.” ha sido realizada bajo su dirección por el Ingeniero de Montes D. Alberto Jesús González Rodríguez, y constituye la Tesis Doctoral que presenta para optar al Grado de Doctor por la Universidade de Santiago de Compostela (USC). Santiago de Compostela, a 17 de Julio de 2015 Fdo. José A. Rodríguez Añón Fdo. María Villanueva López Fdo. Jorge Proupín Castiñeiras Fdo. Alberto Jesús González Rodríguez Agradecimientos Quisiera agradecer sinceramente la colaboración de todas aquellas personas que de un modo u otro han participado en la realización de este trabajo, especialmente José, Xurxo y María, que lo han hecho todo por mí. También a mis padres, impulsores vocacionales incansables, de este, y de otros viajes similares. Prólogo Prólogo Denominación Pág. Prólogo 3 Pero, ¿qué es el roble? 6 Breve recorrido histórico por la presencia del roble en Galicia 8 Importancia global del carballo en la Galicia actual 14 La biomasa 21 Pero ¿qué es realmente la biomasa forestal? 22 Galicia y la madera de Quercus: aprovechamiento de la leña 24 La producción de leñas en España y en Galicia 26 Principales tipos de leñas 29 Pero, ¿existe la leña ideal? 31 Normalización de leñas 31 Ventajas e inconvenientes del uso de leña frente a los combustibles fósiles tradicionales 33 Bibliografía 35 Prólogo 3 Prólogo alicia, reacia al cambio, desconfiada de él, pero implícitamente llena del necesario potencial para afrontarlo, es un lugar históricamente de compleja relación entre el ser humano y el medio, un mosaico de particular condición y personal carácter que necesariamente se ha transmitido al paisaje y a sus aprovechamientos. Con una superficie de 29.574 km2, se levanta sobre el endemismo geográfico de sus rías, que hablan de un litoral de más de 1.200 km y de una amplia biodiversidad atlántica, mediterránea, insular, y peninsular. Cuenta con más de veinte mil asentamientos humanos posiblemente debidos en sus orígenes a la existencia de fuentes y manantiales en toda su geografía. El 90 % del territorio gallego se desenvuelve en unos rangos de altitud que van desde los 200 a los 600 m, lo que la convierten en un lugar idóneo para el cultivo de multitud de plantas y en particular de las que generan leñas, pues las condiciones anteriores llevan implícita una enorme capacidad para la producción de biomasa en sus montes. Tanto las estrategias políticas de forestación nacionales como europeas han venido dejando de lado la producción de leñas invitando a la fabricación de pasta de papel, obviando nuestro pasado y sobre todo la potencialidad y la vocación de una tierra llena de roble, considerado como árbol patrio y científicamente conocido como Quercus robur L., o en su denominación gallega y popular más tradicional carballo. Esta Tierra llena de lugares “para la reflexión”, una Comunidad Autónoma donde la leña de carballo es extraordinariamente abundante de forma natural, y donde tradicionalmente se viene demostrando la competitividad energética implícita de la misma, pero intencionadamente desdibujada por la aparente mejor economía de los combustibles fósiles, favorecidos, mimados y defendidos por encima de cualquier lógica sostenible desde una mirada ambiental y humanamente inteligente. Una correcta explotación de la leña de carballo debería de convertirla en uno de los pilares básicos de la tan pretendida fijación de población en el medio rural de esta Comunidad. Aunque históricamente el carballo ha sido un árbol estratégico en el desarrollo de Galicia, en la actualidad muchos estudios desestiman considerar a las masas de Quercus como una fuente potencial para la producción sostenible y eficiente de biomasa residual [1]. Aún así, en este trabajo se buscarán justificaciones sólidas que respalden la implantación de un proceso de silvicultura eficaz aplicable a las masas de Quercus con G Prólogo 4 el doble objetivo de sanearlas a la vez que extraer de ellas biomasa forestal de calidad utilizable en procesos de producción energética a pequeña escala. Para conseguir estos dos objetivos debemos primero plantear la importancia actual del carballo en Galicia en su contexto más global y justificar así una inversión importante en labores silvícolas de ordenación y saneamiento de estas formaciones forestales, y en segundo lugar, y mediante un exhaustivo estudio de sus propiedades térmicas, su valor como generador de biomasa de calidad con fines energéticos. Figura 1. Kaer quez era como los celtas llamaban al carballo. Aunque para los celtas el árbol sagrado era la encina, consideraban al carballo, o “árbol bello”, como un altar verde en el que los Dioses se manifestaban a aquellos que poseían “la sabiduría del roble” o Druidas. Además, la posibilidad de explotar de forma racional y sostenible nuestro patrimonio forestal de forma local podría proporcionar las bases para la recuperación y el crecimiento económico sostenible de muchas zonas deprimidas de nuestra Comunidad manteniendo simplemente el capital natural de las mismas. Pero este proceso va necesariamente ligado a la implantación de una cultura silvícola inexistente en nuestra Comunidad que implemente una gestión integral, racional y sostenible de nuestro patrimonio forestal en general, y a las masas de Quercus en particular, y que choca con creencias tradicionales que postergaron a un papel secundario en la economía del sector forestal a estas masas de frondosas autóctonas. Todo esto ha llevado en los últimos años al abandono actual de las “carballeiras” y/o la sustitución de las mismas por especies de crecimiento más rápido y económicamente más rentables, obviando aspectos tan Prólogo 5 importantes como la conservación y mejora del entorno en donde se desarrollan, la potenciación de la biodiversidad, y sus valores paisajísticos y recreativos. Figura 2. Fraga de Quiroga (Lalín), también llamada carballeira de Quiroga, es un buen ejemplo de bosque caducifolio mixto conformado por castaños y robles principalmente. Por otro lado, la ocupación del suelo y a la extracción de madera en Galicia ocupa sin género de dudas un papel destacado dentro del sector forestal español. Sin embargo cuando hablamos de su significación relativa en el proceso que transforma la madera, aparecen las primeras contradicciones. Así por ejemplo, produciendo casi la mitad de la madera del país y teniendo un mercado exportador pujante a países como Portugal, Marruecos o Italia, Galicia es la tercera comunidad importadora de maderas con una tipología que no se encuentra aquí. Hablamos de 337 millones de euros por detrás de Valencia y Cataluña, con (367 y 342) millones de euros respectivamente. Estos datos fueron presentados en el I Monográfico Forestal Nacional para el Sur de Europa- Galiforest 2010. Este hecho recoge una realidad solamente entendible bajo la consideración de que las necesidades del mercado interno en todas las fases de transformación, no han sido contempladas en las políticas de ordenación y plantación forestal. Por otro lado, la producción maderera se ha centrado en un tipo de madera concreto con el eucalipto como eje principal de una política forestal encaminada a la trituración, aserrado y chapa, complementada con el pino del país molido como materia prima para tablero, pero en un proceso industrial insuficiente, que implica que multitud de chapas y tableros no se terminan en las fábricas gallegas, al igual que la obtención de papel a partir de pasta. Prólogo 6 Todo esto nos debería hacer reflexionar sobre un sector que a pesar de estar deslavazado e infrautilizado, genera el 3,5 % del PIB de Galicia y emplea de forma directa a más de 20.000 personas [2]. La superficie ocupada en Galicia por los bosques puros de frondosas, a excepción del eucalipto, es aproximadamente el 20 % de la superficie total arbolada, unas 192.369 ha. A estos datos es preciso añadir las mezclas de coníferas y frondosas, 178.230 ha, que representan un 18 % del total, con lo cual la superficie correspondiente a frondosas y sus mezclas es de 370.599 ha, 10 que supone un 38 % de la superficie total arbolada [3]. A pesar de este porcentaje de superficie ocupada, su aportación a la producción de madera no llega al 2 % de la producción total. Por el contrario, pinos y eucaliptos, con una superficie de 605.477 ha, un 62 % del total de las masas arboladas, producen el 98 % de la madera cortada [3]. Existe una pregunta que resume de forma magistral todo cuanto estamos comentando “¿por qué Galicia es el territorio que más madera corta y posee la industria de la primera transformación más potente de España y, sin embargo su madera y sus productos no sirven para la segunda transformación, a pesar de localizarse en ella un número muy alto de este tipo de actividades? [2]. Tal vez esta pregunta, y otras muchas similares a este sector se puedan constestar de la misma manera, el abandono de las masas de Quercus robur se deben a un retroceso dirigido y a la falta de metodologías que posicionen su explotación en un lugar económicamente atractivo. Pero, ¿qué es el roble? Roble es un término genérico usado para referirse a muchas de las especies frondosas autóctonas de árboles que forman parte del género Quercus. De forma más particular, este estudio se centrará en el Quercus robur L., especie forestal longeva, caduca, y de crecimiento lento, propia de climas templados oceánicos, como los propios de las cordilleras húmedas de las regiones más septentrionales de la vertiente atlántica europea, y que incluye a las especies europeas de este género de hojas blandas con borde sinuoso, y de madera dura, noble y muy apreciada en todos los sectores. El carballo es un árbol que gusta de zonas de pendiente importante y fondos de vaguadas a baja o media altitud. Los suelos sobre los que se asientan son preferentemente profundos y dentro de una homogeneidad silícea, están originados a Prólogo 7 partir de granitos, granodioritas, esquistos y cuarcitas. Los suelos más adecuados para un buen desarrollo son de tipo pardo ácido, rankers criptopodzólicos, y aluviales, siendo los subgrupos más abundantes los subhúmicos e hidromórficos. El Quercus robur L. vive en los pisos colino y montano con ombroclima subhúmedo a hiperhúmedo, requiere una precipitación media anual superior a 600 mm necesitando cierta cantidad de lluvia y humedad, tanto atmosférica como edáfica durante el verano [3]. De forma general al roble le gustan zonas con poca luz, temperaturas moderadas, y suelos moderadamente húmedos, ácidos y pobres en nitrógeno. Figura 3. A la izquierda de la foto se puede ver un ejemplar adulto de carballo. En la parte derecha se pueden observar en detalle sus hojas y frutos, conocidos en Galicia como landras. Es difícil encontrar carballeiras puras y habitualmente conviven con abedules, castaños, laureles, arces, fresnos, avellanos o cerezos silvestres dando lugar a una formación arbórea autóctona conocida como popularmente como “fraga”, y que se define científicamente como un bosque caducifolio pluriestratificado [4]. A mayores, en los últimos años, la sensibilidad climática de esta especie forestal la están convirtiendo en un bioindicador de referencia para la detección de los posibles efectos del cambio climático, cobrando así si cabe mayor relevancia. Esta característica, unida a la creciente demanda social por la conservación y recuperación de nuestros bosques de frondosas autóctonos, ha llevado a la Administración al tímido reconocimiento y establecimiento de los “espacios sensibles objeto de planificación especial” en el nuevo Plan Forestal de Galicia, y que suponen unas 340.000 ha, en las Prólogo 14 Figura 7. Leña de carballo apilada. Si se observa en detalle se pueden observar el duramen, la albura, cambium y la corteza en los leños. Por lo tanto, en el futuro más inmediato la búsqueda de soluciones alternativas para la explotación racional y sostenible de las masas de Quercus robur L. y el encontrarles ese valor añadido extra son el mejor seguro para su conservación. Cualquier otra estrategia conservacionista ajena a la realidad social, política, económica y ambiental en la que estamos sumergidos y que no pase por poner en valor estas formaciones forestales, está abocada al fracaso. Cabe ilusionarse, aunque posiblemente en vacío, también con las nuevas políticas medioambientales de protección, y se dice en vacío también, porque se acompañan de políticas forestales que destinan Galicia a la producción de pasta, astilla o biomasa, ocupaciones lastimosas y de poca clase para la nobleza del género Quercus. Importancia global del carballo en la Galicia actual De todos es bien sabida la dificultad de expresar la importancia que para una sociedad tecnológica puede tener un bien “intangible” como el medioambiente y los bienes y servicios que nos proporciona la naturaleza, y en nuestro caso particular, la superficie forestal. Para tratar de expresar este valor y cuantificarlo recurrimos a los preceptos marcados por el proyecto VANE [22], mediante el cual podemos valorar los activos naturales en euros por hectárea y año (€ ha-1 año-1), y los datos obtenidos tanto en el en el Cuarto Inventario Forestal Nacional (IFN4) [23] como en el Mapa Forestal de España 1:25.000 (MFE25) [24]. Prólogo 15 Después de una recopilación bibliográfica hemos tratado de recoger en las siguientes tablas la valoración económica de los bienes y servicios prestados por el medio natural, en nuestro caso particular las formaciones puras y mixtas de Quercus robur L. presentes en Galicia, expresados en unidades de flujo (€/año). Este proceso nos puede dar una visión más global y cuantificable permitiéndonos visualizar de forma más familiar y en términos monetarios, el bienestar que supone para la sociedad gallega el mantenimiento de las masas forestales de carballo en particular, y de su patrimonio forestal en general. Así en la Tabla 1 se muestran los bienes y servicios prestados por las formaciones de Quercus robur L. presentes en Galicia y que contribuyen a la preservación de la vida y su diversidad, a la función de producción de bienes y servicios, a una función de sumidero de flujos residuales y a la función de producción de utilidad de los diferentes individuos. Estos parámetros son la base de las técnicas de economía ambiental para definir y reconocer las diferentes funciones que la biosfera presta en relación con la actividad económica de la sociedad. En la columna de la izquierda se presenta el método utilizado para realizar esta cuantificación. Servicios considerados y métodos Grupo Servicio ambiental Método Producción de alimentos y materias primas Producción de madera Renta a precios de mercado Producción de leña Renta a precios de mercado Producción ganadera forestal Renta a precios de mercado Provisión de agua Provisión de agua para uso agrícola Método del valor residual Provisión de agua para uso industrial Método del valor residual Provisión de agua para uso doméstico Excedente del consumidor Provisión de agua para uso energético Método de los costes evitados Servicio recreativo Servicio recreativo Transferencia a partir de DAP Caza deportiva Caza Renta a precios de mercado Control de la erosión Control de la erosión Método de los costes evitados Captura de carbono Captura de carbono por el arbolado Método de los costes evitados Captura de carbono por el matorral Método de los costes evitados Conservación diversidad biológica Conservación de la diversidad biológica Costes de conservación Tabla 1. Bienes y servicios prestados por las formaciones de Quercus robur L. presentes en Galicia. Prólogo 16 En la Tabla 2 se recogen los datos de superficie total de suelo productivo*1, superficie ocupada por las formaciones de carballo*2 y la relación porcentual entre superficie ocupada por formaciones de Quercus robur L. frente a la superficie total de suelo productivo*3. Superficie (ha) * 1 Superficie Quercus (ha) * 2 Superficie Quercus/total (%) * 3 A Coruña 501.586,03 56.209,50 11,60 Lugo 656.842,50 170.274,50 25,92 Ourense 575.264,21 96.464,17 16,77 Pontevedra 296.988,29 50.017,22 16,84 Galicia 2.030.681,03 372.965,39 18,37 Tabla 2. Superficie total productiva (ha) e índices de ocupación (%). En la Tabla 3 se muestra el valor de producción de servicios de la superficie ocupada por las formaciones de Quercus robur L.*1 y valor medio de producción de servicios de la superficie ocupada por las formaciones de Quercus robur L.*2 por provincias. Entre paréntesis se refleja el Valor medio de producción de servicios de las diferentes formaciones de suelo productivo. En color rojo se destacan los valores medio inferiores y en verde los superiores de producción de servicios de las formaciones de Quercus robur L. Provincia de A Coruña Formación Valor (€ año -1 )* 1 Valor medio (€ ha -1 año)* 2 Robledales de Quercus robur y masas en mezcla con Pinus pinaster, Eucalyptus spp. y frondosas autóctonas Valor de producción de alimentos y materias primas por uso del suelo 6.571.038 (110,24) 120,47 Valor de provisión de agua por uso del suelo 28.354.059 (344,98) 505,24 Valor del servicio recreativo 294.789 (2,19) 4,79 Valor de la caza 31.023 (0,73) 0,56 Valor del control de la erosión 1.026.028 (12,93) 18,04 Valor de la captura de carbono 18.538.657 (322,87) 335,34 Valor de conservación de la diversidad biológica 1.053.330 (15,10) 18,47 TOTAL 55.868.924 (809,04) 1002,91 Prólogo 17 Provincia de Lugo Formación Valor (€ año -1 )* 1 Valor medio (€ ha -1 año)* 2 Robledales de Quercus robur y mezclas con Pinus pinaster y frondosas autóctonas Valor de producción de alimentos y materias primas por uso del suelo 14.870.957 (109,95) 96,10 Valor de provisión de agua por uso del suelo 22.765.097 (117,86) 133,36 Valor del servicio recreativo 38.205 (0,55) 0,21 Valor de la caza 101.702 (0,67) 0,60 Valor del control de la erosión 6.216.893 (49,72) 35,08 Valor de la captura de carbono 24.426.637 (169,29) 140,04 Valor de conservación de la diversidad biológica 3.211.836 (18,88) 18,49 TOTAL 71.631.327 (466,93) 423,88 Provincia de Ourense Formación Valor (€ año -1 )* 1 Valor medio (€ ha -1 año)* 2 Robledales de Quercus robur y mezclas con Pinus pinaster y frondosas autóctonas Valor de producción de alimentos y materias primas por uso del suelo 4.918.182 (38,67) 51,43 Valor de provisión de agua por uso del suelo 2.497.552 (21,83) 26,85 Valor del servicio recreativo 49.060 (1,54) 0,49 Valor de la caza 52.125 (0,58) 0,54 Valor del control de la erosión 1.534.521 (16,84) 18,77 Valor de la captura de carbono 11.972.059 (102,07) 126,62 Valor de conservación de la diversidad biológica 1.582.661 (16,70) 16,53 TOTAL 22.606.160 (195,80) 241,23 Provincia de Pontevedra Formación Valor (€ año -1 )* 1 Valor medio (€ ha -1 año)* 2 Robledales de Quercus robur y mezclas con Pinus pinaster y Eucalyptus spp. Valor de producción de alimentos y materias primas por uso del suelo 5.830.996 (116,01) 144,38 Valor de provisión de agua por uso del suelo 17.521.077 (279,59) 340,43 Valor del servicio recreativo 54.878 (2,92) 1,14 Valor de la caza 10.504 (0,48) 0,21 Valor del control de la erosión 137.919 (2,42) 2,98 Valor de la captura de carbono 14.443.827 (284,59) 320,88 Valor de conservación de la diversidad biológica 1.016.341 (16,62) 19,16 TOTAL 39.015.542 (702,64) 829,18 Tabla 3. Valores de producción (€) de las masas de Quercus. La Tabla 4 es un resumen en donde se recoge el valor de producción de servicios de la superficie total de suelo productivo*1, valor de producción de servicios de las formaciones de Quercus robur L.*2, y relación porcentual entre el Valor de producción Prólogo 18 de servicios de las formaciones de Quercus robur L. frente al Valor de producción de servicios de la superficie total de suelo productivo*3. Millones de € año -1 * 1 Millones de € año -1 Quercus* 2 Valor Quercus total -1 (%)* 3 A Coruña 498.640.000 55.868.924 11,40 Lugo 313.020.000 71.631.327 22,88 Ourense 102.500.000 22.606.160 22,05 Pontevedra 217.600.000 39.015.542 17,93 Galicia 1.131.760.000 189.121.953 16,71 Tabla 4. Valores de producción totales (€) de las masas de Quercus. De forma general, hacer una reflexión sobre el montante económico anual estimado que las masas de Quercus aportan a la economía gallega en forma de servicios, y que se acerca a los 190 millones de €. En este dato se deberían incluir parámetros como que: - La mayor parte de las formaciones de Quercus no son puras. - La mayor parte de estas formaciones están reconocidas como “espacios sensibles objeto de planificación especial” debido a su interés ambiental y falta de gestión y de cuidados tradicional. - A partir de estas formaciones se pueden extraer de forma directa o indirecta diferentes productos como madera para construcción, muebles o combustible, o materias primas para la alimentación animal y humana. Por lo tanto, la reflexión sería que esta cuantificación se quedaría todavía pequeña mostrando todavía más la importancia de estas masas forestales autóctonas. Por otra banda no se debe olvidar que en procesos de estudio como los recogidos en las tablas anteriores no sólo se cuantifican directamente los beneficios aportados por los bienes y servicios que nos proporciona la naturaleza, sino también, y de manera indirecta y preventiva, aquellos relacionados con actividades negligentes estableciendo un marco común de responsabilidad con el fin de prevenir y reparar los daños causados al medioambiente, y que se recoge en nuestro ordenamiento jurídico a través de la Ley 26/2007, de 23 de octubre, de valoración de la Responsabilidad Medioambiental y que emana de la Directiva 2004/35/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 21 de Abril de 2004, sobre responsabilidad medioambiental en relación con la prevención y reparación de daños medioambientales [25]. Prólogo 19 Figura 8. La biodiversidad en Galicia depende de manera muy importante de unas masas forestales sanas. Fuera de este escenario económico siempre importante pero frío, el medio ambiente en general y la naturaleza en particular, necesitan para su protección y conservación de acciones coordinadas y globales. A continuación, y de forma resumida, se presentan algunos de los principales actos legislativos y Convenios Internacionales suscritos por España y que reiteradamente se incumplen o se cumplen de manera poco comprometida [26]: - BOE número 235, de 1 de octubre de 1986. Instrumento de ratificación del Convenio relativo a la conservación de la vida silvestre y del medio natural en Europa, hecho en Berna el 19 de septiembre de 1979 [27]. - BOE número 36, de 11 de febrero de 1997. Instrumento de ratificación del Convenio de las Naciones Unidas para la lucha contra la desertificación, 1994, hecho en París el 17 de Junio de 1994 [28]. - Ley 10/2006, de 28 de Abril, por la que se modifica la Ley 43/2003, de 21 de noviembre, de Montes. Actualización del régimen jurídico regulador de los espacios forestales de acuerdo con la nueva concepción del medio ambiente consagrada por la Constitución Española y con los principios de gestión forestal sostenibles que deben informar la ordenación y conservación de los montes españoles [29]. - Ley 42/2007, de 13 de diciembre, del Patrimonio Natural y de la Biodiversidad. Garantizar por parte de las Administraciones competentes que la gestión de los recursos Prólogo 20 naturales se produzca con los mayores beneficios para las generaciones actuales, sin merma de su potencialidad para satisfacer las necesidades y aspiraciones de las generaciones futuras, velando por el mantenimiento y conservación del patrimonio, la biodiversidad y los recursos naturales existentes en todo el territorio nacional, con independencia de su titularidad o régimen jurídico, atendiendo a su ordenado aprovechamiento y a la restauración de sus recursos renovables [30]. - Ley 45/2007, de 13 de diciembre, para el desarrollo sostenible del medio rural. Acciones y medidas multisectoriales y medioambientales que se puedan aplicar a la nueva realidad de un medio rural económicamente cada vez más diversificado y al que se le reconoce una importante multifuncionalidad para la sociedad en su conjunto [31]. - Orden ARM/2444/2008, de 12 de Agosto. Aprobación del Programa de Acción Nacional de Lucha contra la Desertificación en cumplimiento de la Convención de Naciones Unidas de Lucha contra la Desertificación [32]. - Reglamento (UE) número 995/2010 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 20 de octubre de 2010. Establecimiento de las obligaciones de los agentes que comercializan madera y productos de la madera [33]. - Ley 2/2011, de 4 de Marzo de Economía Sostenible. Se marca la estrategia de recuperación de la economía española promoviendo la renovación del modelo productivo que se puso en marcha en 2004 [34]. - Real Decreto 1274/2011, que aprueba el Plan Estratégico del Patrimonio Natural y de la Biodiversidad 2011-2017. Reafirmar el Convenio de Naciones Unidas sobre la Diversidad Biológica, reconociendo que la conservación de la biodiversidad es un interés común de toda la humanidad y tiene una importancia crítica para satisfacer sus necesidades básicas. Que la biodiversidad está estrechamente ligada al desarrollo, la salud y el bienestar de las personas y constituye una de las bases del desarrollo social y económico. Y de este modo, se puede afirmar que la biodiversidad es fundamental para la existencia del ser humano en la Tierra y que constituye un componente clave de la sostenibilidad [35]. - Ley 21/2013, de 9 de diciembre, de evaluación ambiental. Mediante la cual se promueve la evaluación de proyectos como garantía para una adecuada prevención de los impactos ambientales concretos que se puedan generar, al tiempo que establece mecanismos eficaces de corrección o compensación [36]. Prólogo 21 - Real Decreto 416/2014, de 6 de Junio, por el que se aprueba el Plan sectorial de turismo de naturaleza y biodiversidad 2014-2020. Promoción de la utilización ordenada de los recursos para garantizar el aprovechamiento sostenible del patrimonio natural y la integración de los requerimientos de la conservación, uso sostenible, mejora y restauración del patrimonio natural y la biodiversidad en las políticas sectoriales. En este sentido, el Plan estratégico del patrimonio natural y de la biodiversidad 2011-2017, aprobado mediante el Real Decreto 1274/2011, de 16 de septiembre, profundiza y consolida el concepto de la integración sectorial como vía para avanzar en su conservación y uso sostenible. La tercera meta de este Plan estratégico busca fomentar la integración de la biodiversidad en las políticas sectoriales, y tiene vinculado un objetivo concreto dedicado a promover la sostenibilidad del turismo de naturaleza [37]. La biomasa Desde hace aproximadamente 1.500.000 años, cuando se cree que el hombre aprende a “manejar” el fuego, la biomasa de origen forestal ha constituido una fuente tradicional de energía para la humanidad. En los últimos años, y coincidiendo con la crisis económica que estamos viviendo, la biomasa forestal, lejos de ser una materia prima “postergada”, ha pasado a cubrir las necesidades más básicas para una cuarta parte de la población mundial, y se posiciona como un referente futuro de interés en el campo de las energía renovables tanto por la preocupación social que el uso masivo de los combustibles fósiles está generando sobre el clima, como por la reducción de la dependencia energética que el uso de este tipo de fuentes combustibles podría suponer a nivel global. Como reseña que permita reflexionar sobre este planteamiento, decir que en Galicia la dependencia energética exterior alcanza el 83,6 %, dato que pone de manifiesto lo insostenible del modelo energético actual, y que con la introducción racional de la biomasa en la oferta energética se podría ir corrigiendo ayudando a una mejor diversificación de las fuentes de energía primaria, una mayor racionalización y eficiencia en el consumo energético global, y una concienciación global en el respeto al medio ambiente. Prólogo 22 Pero ¿qué es realmente la biomasa forestal? Hoy en día el sector energético entiende por biomasa la fracción biodegradable de los productos, desechos y residuos de origen biológico procedentes de actividades agrarias (incluidas las sustancias de origen vegetal y de origen animal), de la silvicultura y de las industrias conexas, incluidas la pesca y la acuicultura, así como la fracción biodegradable de los residuos industriales y municipales (directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de Abril de 2009) [38]. Quedan fuera de esta definición los combustibles fósiles y las materias orgánicas derivadas de éstos, como los plásticos y la mayoría de los productos sintéticos, ya que, aunque aquéllos tuvieron un origen biológico, su formación tuvo lugar en tiempos remotos durante un periodo de tiempo considerable. Por lo tanto para considerar cualquier material como biomasa debe englobar los términos de orgánico y renovable, denominándose así biomasa forestal como aquella generada en los montes a partir de todos los componentes arbóreos, excepto tocón y raíces, en una superficie dada [39]. Figura 9. Diferentes presentaciones de la biomasa forestal. De izquierad a derecha: leña, astilla, pellets y briquetas. Así, los países de la Unión Europea han incrementado en los últimos años el uso de los residuos de la biomasa con fines energéticos con la doble intención de cumplir los objetivos energéticos establecidos y ratificados en el Protocolo de Kioto relacionados con las limitaciones sobre la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) y con la reducción de la dependencia energética foránea. Dentro de esta nueva política energética europea destacar la Directiva 2009/28/CE del Parlamento europeo y del Consejo, de 23 de Abril, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables, y que establece que cada Estado miembro elaborará un Plan de Acción Nacional en materia de Energías Renovables (PANER) para conseguir los objetivos nacionales fijados en la propia Directiva. En España el PANER 2011-2020 [40] propone el Prólogo 23 uso de biomasa para la producción de electricidad como la alternativa más ambiciosa dentro de los planes de desarrollo de este recurso en la UE. Aún en las sociedades más desarrolladas, en donde el uso de biomasa es una fuente de energía secundaria, el tratamiento silvícola de las masas forestales cumple un doble objetivo, primero y desde el punto de vista económico abre la posibilidad de producir materia prima de alta calidad tanto para la industria de la transformación de la madera como para el sector de las energías renovables, y segundo, desde el punto de vista social y ambiental, el mantenimiento de superficies forestales saneadas genera enormes beneficios sociales y ambientales. De forma más concreta podemos decir que: - Extender la utilización de biomasa forestal como fuente de energía primaria en lugar de los combustibles fósiles usados tradicionalmente genera ventajas ambientales directas como la reducción de las emisiones de óxidos de azufre y partículas, reducción de las emisiones mínimas de contaminantes como el CO, HC, o NOx, y mejora del balance de emisiones de CO2 a la atmósfera. - Además, las labores silvícolas centradas en la reordenación y conservación de formaciones forestales favorecen la retirada de los residuos forestales ayudando a la prevención de incendios forestales y mejorando las labores de extinción de los mismos, y en caso de accidente ambiental se consigue una mejor regeneración de la masa forestal mejorando el crecimiento del arbolado y de la calidad del mismo. Pero estas posibilidades deben ser analizadas en un contexto más general en el que aparecen una serie de inconvenientes que deber ser tenidos en cuenta a la hora de plantearse la utilización de la biomasa como materia prima para la generación energética. Así podemos destacar su baja densidad como recurso energético primario, las complejas labores de logística para su manejo y extracción, y los turnos de corta que aseguren la sostenibilidad del proceso y que muchas veces son dependientes de variables poco controlables como la climatología, plagas o incendios forestales. Los aspectos clave a tener en cuenta a la hora de diseñar un proceso de explotación energético utilizando como materia prima la biomasa forestal son: - Aspectos medioambientales relacionados con el mantenimiento de la biodiversidad y las funciones recreativas y ambientales que generan las formaciones forestales para la sociedad. - Aspectos productivos y de explotación que definen la sostenibilidad del proceso. Entre ellos destacar la cantidad de biomasa potencialmente extraíble Prólogo 30 Como curiosidades que complementan la Figura anterior comentar que: - La madera de coníferas no deja salir fácilmente el gas que se forma en el interior del leño. Por lo tanto pueden producirse explosiones y proyección de astillas ardientes a varios metros, con mayor probabilidad que con la leña de frondosas, resultando peligroso en chimeneas abiertas. En general, cuanto más virulento sea el fuego y más calor se genere en menos tiempo, mayor riesgo también de acumulación de gas. - En el sur de España, se emplea fundamentalmente la leña de encina y en menor medida el olivo, mientras que en el norte, el roble y la haya son las maderas más consumidas. - De un olor muy agradable, gran durabilidad y elevado poder calorífico, el olivo y el naranjo son combustibles muy demandados en la zona del Levante español. - El abedul arde bien y rápido. Se emplea para encender e iluminar y por el atractivo de su corteza blanca. - Haya, arce, fresno y árboles frutales se emplean principalmente porque calientan mucho. De secado rápido y de fácil obtención. Hay que guardarlas bajo algún abrigo inmediatamente después de secadas y rajadas, porque se pudren muy pronto y pierden su poder calorífico. Son fáciles de prender y ofrecen lumbres dinámicas y de llamas muy luminosas. - Roble, carpe y cerezo. Se consumen lentamente, se ponen negros y se carbonizas. Son excelentes productores tanto de leña como de carbón de leña. Es un excelente combustible, pero, al contrario que las demás maderas, tienen que estar sin cubrir dos años para que la lluvia arrastre y elimine los taninos que contiene; después, se coloca bajo algún tipo de abrigo otro año o dos antes de utilizarla. La proporción de albura (que arde con demasiada rapidez) en las ramitas pequeñas es importante, pero aparte de eso, el roble es una leña de combustión lenta, que proporciona un fuego tranquilo y buenas brasas. Ideal para hacer barbacoas y para su utilización en la modalidad de fuego continuo. - Tilo, castaño y álamos producen llamas bellas y armoniosas, pero vivas y pocas brasas. Arden rápidamente y lo mejor es utilizarlas para avivar el fuego. - Los álamos y chopos producen cenizas abundantes y volátiles. - La robinia o falsa acacia y la acacia producen importantes proyecciones de chispas durante su combustión. Prólogo 31 Pero, ¿existe la leña ideal? Al aire libre casi cualquier leña seca arde bien, pero cuando se trata de leña para fuegos cerrados, se elegirán maderas duras y con un secado de más de 8 meses (lo ideal 2 años). No se emplearán maderas que anteriormente hayan sido sometidas a tratamientos químicos (traviesas del ferrocarril y aglomerados), porque ensucian los tiros y pueden producir emanaciones tóxicas. La leña de resinosas aunque desprenden mucho calor, no se empleará preferentemente, ya que se consume con rapidez, proyecta brasas, y las resinas que contiene ensucian las chimeneas. La madera independientemente del tipo, ha de estar bien seca. Para ello han de hacerse unas hendiduras en los troncos grandes (favorecen el secado) y se cubrirá la leña al resguardo de la lluvia, pero manteniendo una correcta ventilación, durante un período mínimo de dos años después de apearla. Cuanto más se troceen los leños en sentido axial, mayor superficie de madera quedará expuesta y antes secarán. La madera bien seca es más ligera y al golpearla tendrá un sonido más claro. La albura (tras la corteza, la parte que primero entre en ignición y quien mantiene buena parte de la combustión) puede llegar a contener más del 75 % de agua. Un mayor contenido de agua, influye en el aumento de humos y en la disminución de la llama, ya que parte del calor se emplea en evaporar precisamente la humedad Por último añadir que en el caso particular de la encina y el roble, ha de dejarse la leña un año al aire libre para que pierda el tanino y a continuación guardarla varios años a cubierto. Normalización de leñas La leña es un tipo de biomasa y de su Normalización se encarga en Europa el CEN (Comité Europeo de Normalización-Comité Técnico 335 Solid Bifuels) [43] y en España AENOR (Asociación Española de Certificación y Normalización-Comité Técnico 164 Combustibles Sólidos) [44]. Los parámetros de calidad de las leñas (Tabla 5) se establecen con la CEN/EN 14961-1:2010 [45] de Especificaciones por un lado normativas (origen, forma comercializada, dimensiones L y D, humedad y tipo de madera) y por otro informativas (densidad energética, volumen m3 sólido, a granel o suelto, proporción de trozas Prólogo 32 partidas, superficie de corte y presencia de podredumbres). Las Normas europeas son de obligado cumplimiento. Las encarga la Comisión Europea y han sido elaboradas mayoritariamente por países del norte de Europa, sin apenas participación española: Tabla 5. Especificación de las propiedades de las trozas. Prólogo 33 TIPO BIOMASA % en base húmeda Humedad Cenizas Volátiles Azufre PCI (Kcal Kg-1) Densidad media (Kg m-3) Leñas 20-30 1,2 N.D. 0,02 3.000-3.400 380 Tabla 6. Características generales de las leñas. CENER Centro Nacional de Energías Renovables. De todo lo anterior se deduce que la leña ideal para su uso como combustible debería tener una combustión lenta y gradual, liberar progresivamente el poder calorífico que encierra, generar pocas cenizas y escorias, y no generar humos con una carga contaminante que pudiese provocar daños a la salud de las personas o al medioambiente. A mayores de la forma, dimensiones y composición, pero también de la manera de quemarla, dependerá un aumento en la eficiencia y en la eficacia del recurso. Ventajas e inconvenientes del uso de leña frente a los combustibles fósiles tradicionales Las ventajas más reseñables deben analizarse en dos escenarios muy bien definidos: el económico y el medioambiental y de salud pública. Así y desde el punto de vista económico: - Es más barata que los combustibles tradicionales como el gasoil, propano y/o gas natural. - Colabora en la reducción de la dependencia tanto de fuentes energéticas foráneas como en el proceso de oscilación de los precios de los combustibles en el mercado. - Colabora directa e indirectamente en la creación de economías de escala que generan riqueza en la zona de producción. - Reduce los costes en campañas de prevención y lucha contra incendios forestales. - Aumenta el valor de los bienes y servicios que presta el medio forestal. Y desde el punto de vista medioambiental y de salud pública: - Produce menos contaminantes (CO2, NOx, SOx y dioxinas). Prólogo 34 - Genera una cantidad apreciable de cenizas de origen vegetal ricas en calcio y potasio y no tóxicas que se pueden aprovechar como abono o suplemento mineral de animales. - No se necesita talar árboles completos, simplemente partes o ramas que podrían proceder de una acción silvícola racional y sostenible que combine la producción de leñas con otro tipo de aprovechamiento (maderero, silvopastoral, micológico, etc), redundando siempre en la idea de la multifuncionalidad y la multiproducción del monte. - El dióxido de carbono generado al quemarse la madera no supone un incremento en el existente de forma natural en la troposfera mejorando el balance de este colaborando en el cumplimiento de los acuerdos firmados y ratificados por nuestro País en el Protocolo de Kyoto. Los principales inconvenientes, y como ya se expuso anteriormente comunes a casi todas las fuentes de biomasa de origen forestal radican en los aspectos económicos y responsables de la viabilidad del proceso, se centran en los elevados costes de su recolección y extracción. Prólogo 35 Bibliografía [1] Mateos Sánchez, E., Edeso Fito, J. M., Bastarrika Izaguirre, A., Torre tojal, L. Estimación de la Biomasa Residual Procedente de la Gestión Forestal en Bizkaia. In: Lurralde. Investigación y Espacio. Instituto Geográfico Vasco Andrés de Urdaneta. San Sebastián-Donostia; 2012. [2] MIRAMONTES CARBALLADA, ÁNGEL y ALONSO LOGROÑO, Mª. PILAR. La influencia del monte arbolado en las empresas transformadoras de la madera en Galicia. Estudios Geográficos Vol. LXXIV; 2013; 274 pp. 153-191. [3] Díaz-Maroto, I. J. & Silva-Pando, F. J. Cuadernos de la S.E.C.F. 1995;1:211-9. [4] Antonio Martínez Cortizas, Augusto Pérez Alberti. Atlas Climático de Galicia. Consellería de Medio Ambiente. Xunta de Galicia. Santiago de Compostela; 1999. [5] Manuel Valdés, C., Gil Sánchez, L., Tercer Inventario Forestal Nacional 1997- 2006. La Transformación Histórica del Paisaje Forestal de Galicia. Ministerio de Medio Ambiente. Madrid; 2001. [6] ALLEN J.R.M., HUNTLEY B., WATTS W.A. J. Quaternary Sci. 1996;11:125–147. [7] PEÑALBA, M.C. J. Ecol. 1994;82:815–832. [8] Santos Fidalgo, L., Vidal Romaní, J. R., Jalut, G. Caderno do laboratorio xeolóxico de Laxe. 1977;22:99-119. [9] Vázquez Varela, J. M., García Martínez, M. G. Megalitismo: economía, sociedad y religión, en Galicia. Historia, vol. I, Hércules. La Coruña. 1991. [10] VILLARES, R.; A Historia. Biblioteca Básica da Cultura Galega. Ed. Galaxia. Vigo. 1992. [11] GUITIÁN RIVERA, L.; Sistemas de utilización del espacio y evolución del paisaje vegetal en las Sierras Orientales de Lugo. In: PÉREZ ALBERTI, A.; GUITIAN RIVERA, L.; Ramil, P. editores. La evolución del paisaje en las montañas del entorno de los Caminos Ja cobeos. Cambios ambientales y actividad humana. Xunta de Galicia. Santiago de Compostela; 1993. [12] Törnqvist, T. E., Janssen, C. R., Pérez Alberti, A. Cuadernos de Estudios Gallegos; 1989;103:175-198. [13] Ramil Rego, P., Aira rodríguez, M. J. Revista Biol. 1994;15:3-13. [14] Muñoz Sobrino, C., Ramil Rego, P., Rodríguez Guitián, M. Vegetation History and Archeobotany; 1997:6:215-233. Prólogo 36 [15] ARANDA, G. DE. Los bosques flotantes: historia de un roble del siglo XVIII. Colección Técnica ICONA. Madrid; 1990. [16] DÍAZ-MAROTO, I.J., VILA-LAMEIRO, P., SILVA-PANDO, F.J. Ann. For. Sci. 2005;62:737–749. [17] Saavedra Fernández, P. Economía, política y sociedad en Galicia: la provincia de Mondoñedo, 1480-1830. Consellería de Presidencia- Xunta de Galicia. Madrid; 1985. [18] RUIZ, P. Notas para una historia del pino en Galicia. Ministerio de Cultura, Dirección General del Patrimonio Artístico, Sección General de Archivos. Madrid; 1980. [19] MUÑOZ, G. Crónica sobre bosques y montes de la Península Hispánica. Fundación Conde del Valle de Salazar, E.T.S.I. de Montes. Madrid; 1983. [20] DÍAZ-MAROTO, I.J. Estudio ecológico y dasométrico de las masas de carballo (Quercus robur L.) en el noroeste de la Península Ibérica. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Madrid. Madrid; 1997. [21] González Pérez, C. A produción tradicional do ferro en Galicia: as grandes ferrerías da provincia de Lugo. Servizo de Publicacións. Deputación Provincial de Lugo; 1994. [22] http://www.magrama.gob.es/es/biodiversidad/temas/conservacion-de-la- biodiversidad/valoracion-y-aspectos-economicos-de-la- biodiversidad/cb_vae_valoracion_activos_naturales.aspx [23] Cuarto Inventario Forestal. Galicia. Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino ORGANISMO AUTONOMO PARQUES NACIONALES; 2011. [24] http://www.magrama.gob.es/es/desarrollo-rural/temas/politicaforestal/inventario-cartografia/mapa-forestal-espana/mfe_25.aspx [25] http://eur-lex.europa.eu/legal-content/ES/TXT/?uri=URISERV:l28120 [26] http://www.magrama.gob.es/es/biodiversidad/legislacion/legislacion_areas_nor mativa_internacional.aspx [27] http://www.boe.es/buscar/doc.php?id=BOE-A-1986-25961 [28] http://www.boe.es/boe/dias/1997/02/11/ [29] http://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2006-7678 [30] https://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2007-21490 [31] https://www.boe.es/buscar/act.php?id=BOE-A-2007-21493 Prólogo 37 [32] http://www.boe.es/boe/dias/2008/08/19/pdfs/A34836-34837.pdf [33] http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:295:0023:0034:ES:PDF [34] http://www.boe.es/boe/dias/2011/03/05/pdfs/BOE-A-2011-4117.pdf [35] http://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2011-15363 [36] http://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2013-12913 [37] http://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2014-6432 [38] http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2009:140:0016:0062:ES:PDF [39] Tolosana, E. Manual Técnico para ela Aprovechamiento y Elaboración de Biomasa Forestal. Mundi Prensa-Fundación Conde del Valle de Salazar. Madrid; 2009. [40] http://www.minetur.gob.es/energia/desarrollo/EnergiaRenovable/Paginas/pane r.aspx [41] http://www.magrama.gob.es/ministerio/pags/Biblioteca/Revistas/pdf_AEA%2FA EA_2006.pdf [42] http://www.cismadeira.com/ingles/services/services.html [43] http://standards.cen.eu/dyn/www/f?p=204:105:0::::: [44] http://www.aenor.es/aenor/normas/ctn/fichactn.asp?codigonorm=AEN/CTN%201 64#.VYmDyPntlBc [45] http://www.infobio.ru/sites/default/files/Alakangas_Pellet_standard_EN14961- 1.pdf Capítulo 1 Bases teóricas y conceptuales de la investigación Capítulo 1. Bases teóricas y conceptuales de la investigación 46 marcado, hasta actuar sobre los turnos de corta más adecuados, la selección de los mejores lugares para repoblaciones futuras, las edades de desmoche más apropiadas o el mejor momento del año para realizar estas labores silvícolas. Además, y es un punto clave del estudio, la utilización de los restos forestales extraídos de los robledales se utilizará como biomasa a nivel local ya que el transporte de este material lejos de la zona de producción encarecería mucho el biocombustible extraído. Por lo tanto, y dentro de la logística del proceso, tanto la lejanía de las formaciones de roble de los grandes núcleos urbanos considerados como principales centros consumidores, como la cantidad de biomasa producible por ha y año, aconsejan un consumo a nivel local y en pequeñas poblaciones. 1.2.3. ¿Por qué aplicar las técnicas silvícolas frente a las políticas de tala y repoblación que se están implantando con las especies energéticas foráneas? A la vista de los datos del IV Inventario Forestal Nacional (IV IFN) [1] y los compromisos adquiridos internacionalmente por España en lo relativo a la conservación de la vida silvestre y del medio natural en Europa [3-6], la necesidad de una política forestal basada en la silvicultura se hace incuestionable para poder preservar y obtener el máximo rendimiento global de un patrimonio forestal actualmente envejecido y con un estado de salud poco alentador. Figura 15. El carballo está considerado últimamente como un bioindicador de referencia en estudios de impacto del cambio climático sobre la biodiversidad. Desde 2011 el Instituto Vasco de Investigación y Desarrollo Agrario (NEIKER-TECNALIA) estudia la progresiva mediterraneización de los bosques del Pais Vasco como consecuencia de la modificación variables bioclimáticas claves como la humedad y la temperatura y que podría genarar la desaparición del hábitat de esta especie en el 2080 [7]. Capítulo 1. Bases teóricas y conceptuales de la investigación 47 Conscientes de la importancia que los sistemas forestales saneados y ordenados tienen a la hora de generar beneficios económicos, sociales, y ambientales esenciales para la humanidad tales como el mantenimiento de la biodiversidad y las funciones del ecosistema o la protección del sistema climático, la mejor vía de actuación como eje central de una política forestal racional sería la explotación de las formaciones de roble mediante técnicas silvícolas. Este tipo de actuaciones, ya no sólo con el roble, aumentaría el valor productivo de las formaciones forestales gallegas a la vez que aseguraría la persistencia de nuestro valiosos patrimonio forestal. Además la preocupación y sensibilización de la sociedad actual por los problemas relacionados con la conservación del patrimonio natural y de la biodiversidad se ha incrementado haciendo que el medioambiente se convierta en eje central de las políticas de todos los Gobiernos. La globalización de los problemas ambientales y la creciente percepción de los efectos del cambio climático, el previsible agotamiento de muchos recursos naturales, la desaparición, en ocasiones irreversible, de gran cantidad de especies de la flora y la fauna silvestres, y la degradación progresiva de espacios naturales de interés, se han convertido en motivo de seria preocupación para los ciudadanos, que reivindican su derecho a un medio ambiente de calidad que asegure no sólo su salud y su bienestar, sino también el de las generaciones venideras como la mejor herencia posible. Otro hecho a tener en cuenta en el momento actual de crisis económica es la importancia que el medio rural está alcanzando en España y la importancia socioeconómica que puede tener en un futuro inmediato. Así se está observando como en Europa el aumento de la intensidad en el desarrollo económico del sector rural está convirtiéndose en un elemento tractor muy importante para la economía. Por lo tanto la aplicación de políticas de modernización de nuestra economía pasan necesariamente por una mejora del tejido productivo rural dentro de las premisas de la racionalidad y la sostenibilidad, y es aquí en donde las políticas silvícolas tienen una enorme relevancia [8-12]. 1.2.4. ¿Qué parámetros se van a analizar en este estudio? Partiendo del objetivo principal, la caracterización energética del Quercus robur, los parámetros que se van a analizar en este estudio se pueden dividir en tres grandes grupos: energéticos, propios y medioambientales. La caracterización y cuantificación Capítulo 1. Bases teóricas y conceptuales de la investigación 48 detallada de estos parámetros tiene como objetivo analizar la dependencia de las propiedades energéticas del roble introduciendo variables del medio en el que se desarrolla y que puedan tener una influencia sobre el mismo. 1.3. Bases teóricas de la investigación El planteamiento conceptual propuesto en este estudio, y en base a los diferentes parámetros mencionados en el punto anterior, se puede diseñar y desarrollar de la siguiente manera: 1. Como ya se enunció anteriormente, el pilar de la investigación es caracterizar energéticamente y de la forma lo más detallada posible el Quercus robur. Para ello se recurre en primer lugar a la determinación de los parámetros energéticos básicos. Estos parámetros, o propiedades energéticas, son los responsables de las características propias y diferenciadoras de un material, y que van a definir a la postre su potencialidad para generar energía, tanto de forma directa como indirecta. Así se pueden destacar: a. El poder calorífico o cantidad de energía liberada por la combustión de una unidad de masa de combustible (kJ kg-1), parámetro clave a la hora de cuantificar los recursos energéticos presentes en las formaciones de roble para desarrollar una explotación sostenible y racional de los mismos. Este parámetro también será clave en el proceso tecnológico a la hora de seleccionar y dimensionar las calderas, hornos o estufas. b. Humedad propia de la muestra (%), parámetro variable a lo largo del año y fundamental tanto en la determinación del poder calorífico inferior (PCI) como en el diseño de los sistemas para el procesamiento y almacenamiento de la biomasa. c. Densidad (kg m-3), su determinación es muy importante en las labores de logística, especialmente en temas de logística como la selección del proceso de transporte más eficiente, el mejor formato de almacenamiento o en estudios de conductividad térmica específica. d. Porcentaje en cenizas, volátiles, y carbón fijo, parámetros necesarios tanto para certificar energéticamente la biomasa obtenida de las formaciones de roble como para tener una referencia clara de su comportamiento como combustible en calderas convencionales, es decir, su rendimiento, y Capítulo 1. Bases teóricas y conceptuales de la investigación 49 adelantarnos a posibles problemas de uso y mantenimiento como la formación de cristales de hollín, exceso de cenizas, limpieza de calderas, pérdidas de intercambio, o problemas de corrosión. e. Composición elemental o porcentaje de carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y azufre (S), elementos necesarios tanto para la determinación detallada del poder calorífico como para recabar información indirecta sobre la composición de los gases de combustión generados en el interior de la caldera minimizando así la posibilidad de generar gases corrosivos que ataquen a los calentadores, emisiones nocivas de NOx, HCN, NO2, o SOx o evitar la formación de dioxinas y furanos. f. Estabilidad térmica (°C), o temperatura máxima soportada por un material en las condiciones más adecuadas para la menor pérdida de masa. Este parámetro es de especial interés ya que reproduce de forma bastante fideligna el comportamiento que un biocombustible va a tener en el interior de una caldera aportando información valiosa sobre el rendimiento de la misma o sobre la fusión ygeneración de cenizas. Esta parte de la investigación, básica para tratar de encontrar un equilibrio entre la capacidad energética, la estabilidad térmica y la generación de subproductos, se llevará a cabo en los laboratorios del Grupo de Investigación Propiedades Termofísicas de Fluídos y Biomateriales, y en la Red de Infraestruturas de Apoyo a la Investigación y al Desarrollo Tecnológico (RIAIDT) de la USC. Además, y tal como se ha ido adelantando, la determinación de estas propiedades es la base para la caracterización energética de un material combustible, es decir, el primer paso para su homologación y la certificación de la madera de carballo como un producto de calidad para su uso directo. Este punto es de vital interés para darle valor al producto, garantizar su calidad, y dar confianza al consumidor, y en esta Tesis estamos determinando estos parámetros de forma científica. 2. Pero para poder llevar a cabo esta primera etapa debemos diseñar un proceso de muestreo suficientemente representativo. Este proceso nos va a permitir obtener unas conclusiones globales de masas arboladas a partir de un número pequeño de muestras obtenidas de individuos “tipo” y que son característicos a la hora de representar la formación forestal. Para ello se decidió agrupar las muestras en diferentes categorías: Capítulo 1. Bases teóricas y conceptuales de la investigación 50 a. En función del diámetro del tronco o fuste medido a 1 m del suelo, parámetro normalmente muy relacionado con la edad del individuo y por lo tanto del robledal en conjunto, en Grupo 1 de (5 a 15) cm, Grupo 2 de (15 a 25) cm y Grupo 3 de (25 a 35) cm. Este número es el que se recoge como primer carácter en la denominación de las muestras. b. Dentro de cada Grupo, y en función de su origen, en dos categorías, en brinzal o planta que nace de la semilla caída de los árboles en los rodales de los montes (B), y en chirpial o pie joven procedente de brote de la cepa o raíz de un árbol (C). Segundo carácter en la denominación de la muestra. c. A su vez dentro de estas categorías, y en base al cuidado al que la formación arbolada estuvo y está sometida, en dos subcategorías, en silvicultura o aquellas masas que han estado y están sometidas a mantenimientos silvícolas (S), y en no silvicultura o aquellas que no han estado sometidas a este tipo de mantenimientos (SNO). Tercer carácter en la denominación de la muestra. d. Y dentro de estas subcategorías dos clases basadas en su orientación solar, en solana o aquellas que crecen en las laderas y que reciben mayor cantidad de radiación solar (S), y en umbría o aquellas que en comparación con las anteriores reciben menor cantidad de radiación solar (U). Cuarto carácter en la denominación de la muestra. Entronca este punto con una de las motivaciones más vinculadas al carácter costumbrista del saber popular, que desde un punto de vista emotivo y no tan científico, también ha motivado esta Tesis. La creencia de que la leña obtenida en laderas orientadas al Norte es mucho peor que la extraída en pendientes orientadas al Sur, desde un punto de vista estrictamente energético, cuando es empleada como leña. 3. A continuación se analiza la relación entre los parámetros energéticos y lo que denominamos parámetros propios [13]. Esta parte del estudio descartaría o reafirmaría las creencias “populares” que hay robles más o menos eficientes energéticamente en función de su localización, edad u origen. Así se tendrá en cuenta: a. La edad del individuo, parámetro con una enorme influencia en la distribución de la lignina, celulosa y hemicelulosa en la madera extraíble, y por lo tanto a tener en cuenta en la determinación del poder calorífico ya que los árboles a medida que envejecen sustituyen en los tejidos parte de Capítulo 1. Bases teóricas y conceptuales de la investigación 51 su celulosa (un carbohidrato con un poder calorífico de 16.100 kJ kg–1) por lignina mediante el engrosamiento de la pared celular (un polímero aromático con un poder calorífico de 24.500 kJ kg–1). b. La proporción de duramen, albura, cambium y corteza en cada individuo, variables dependientes de la edad del individuo de la edad del individuo [14] y que influyen en la densidad y la humedad de la madera, y por lo tanto probablemente en el poder calorífico. c. La situación de las formaciones (solana o umbría), y que tradicionalmente hace que la madera de los robles procedentes de umbría sean utilizados con reticencia para su uso como biocombustible. d. El origen del individuo (brinzal o chirpial), que mantenimiento histórico ha recibido la formación (silvicultura o no silvicultura) y una cuantificación aproximada de la cantidad de biomasa extraíble (kg ha-1 año-1). 4. Para finalizar con el estudio, se determinan los parámetros medioambientales de las zonas de explotación utilizando los datos de las principales variables metereológicas: temperatura, humedad, precipitación, déficit hídrico, evapotranspiración, evapotranspiración potencial, y las diferentes intensidades bioclimáticas. Todas estas variables se analizan conjuntamente y se recogen en forma de diagramas ombrotérmicos o bioclimáticos para su más fácil comprensión. Capítulo 1. Bases teóricas y conceptuales de la investigación 52 1.4. Bibliografía [1] Cuarto Inventario Forestal. Galicia. Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y MarinoORGANISMO AUTONOMO PARQUES NACIONALES; 2011. [2] http://www.magrama.gob.es/es/biodiversidad/temas/conservacion-de-la- biodiversidad/valoracion-y-aspectos-economicos-de-la- biodiversidad/cb_vae_valoracion_activos_naturales.aspx [3] http://www.boe.es/buscar/doc.php?id=BOE-A-1986-25961 [4] http://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2011-15363 [5] http://www.magrama.gob.es/es/biodiversidad/legislacion/legislacion_areas_n ormativa_internacional.aspx [6] http://eur-lex.europa.eu/legal-content/ES/TXT/?uri=URISERV:l28120 [7] http://www.neiker.net/ [8] http://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2006-7678 [9] https://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2007-21490 [10] https://www.boe.es/buscar/act.php?id=BOE-A-2007-21493 [11] http://www.boe.es/boe/dias/2011/03/05/pdfs/BOE-A-2011-4117.pdf [12] http://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2014-6432 [13] Bergman, Richard, Cai, Zhiyong, Clausen, Carol A., Dietenberger, Mark A., Falk, Robert H., Frihart, Charles R., Glass, Samuel V., Hunt, Christopher G., Ibach, Rebecca E., Kretschmann, David E., Lebow, Stan T., Rammer, Douglas R., Ross, Robert J., Stark, Nicole M., Wacker, James P., Wang, Xiping, Wiedenhoeft, Alex C., Wiemann, Michael C. and Zelinka, Samuel L. Wood Handbook. Wood as an Engineering Material. General Technical Report FPL-GTR- 190. Forest Service. Forest Products Laboratory. USDA. Madison, Wiscosin; 2010. [14] BARRIO ANTA, M., DÍAZ-MAROTO HIDALGO, I.J., ÁLVAREZ GONZÁLEZ, J.G. y VILA LAMEIRO, P. 2005. El problema de la regeneración de robles caducifolios y marcescentes en el Noroeste Peninsular. En: ACTAS DE LA III REUNIÓN SOBRE REGENERACIÓN NATURAL-IV. REUNIÓN SOBRE ORDENACIÓN DE MONTES. CUAD. SOC. ESP. CIEN. FOR. 2005;15 pp 95-100. Capítulo 2 Trabajo experimental Capítulo 2. Trabajo experimental Denominación Pág. 2.1. Trabajo experimental 57 2.1.1. Selección de la zona de muestreo 57 2.1.2. Descripción de la zona de muestreo 58 2.1.3. Trabajo de campo: procedimiento experimental 61 2.1.4. Trabajo de laboratorio 64 2.1.4.1. Preparación de las muestras 64 2.1.4.2. Determinación de la composición elemental 66 2.1.4.3. Determinación del carbono fijo, volátiles y cenizas 66 2.1.4.4. Experiencias calorimétricas: determinación del poder calorífico 68 2.1.4.4.1. ¿Qué es una experiencia calorimétrica? 68 2.1.4.4.2. Pero, ¿qué es un sistema calorimétrico? 68 2.1.4.4.3. Generalidades del sistema calorimétrico o calorímetro 70 2.1.4.4.4. Descripción de los componentes del sistema 71 2.1.4.4.5. ¿Y el poder calorífico? 73 2.1.4.4.6. Cálculo de poderes caloríficos a volumen constante 75 2.1.4.4.7. Calibrado del calorímetro 76 2.1.4.4.8. Determinación del poder calorífico: desarrollo de un experimento 76 2.1.4.4.9. Representación de los resultados 80 2.1.4.5. Análisis termogravimétrico: TGA 82 2.1.4.5.1. Generalidades de la técnica 82 2.1.4.5.2. Descripción del equipo 83 2.1.4.5.3. Calibrado de la TGA 84 2.1.4.5.4. Realización de una experiencia de termodegradación: desarrollo de un experimento 85 2.1.4.5.5. Interpretación de los resultados 86 2.1.4.5.6. Análisis de la cinética de degradación térmica 91 2.2. Bibliografía 98 Capítulo 2. Trabajo experimental 62 madera analizada, pues solamente el anillo del último año contribuye a esto, con el consiguiente aumento en el poder calorífico. En este momento la humedad de constitución del árbol debe ser la más baja y por lo tanto su poder calorífico máximo. - Junio-Julio, coincidiendo con el final del verano y el periodo de mayor producción vegetativa. En este momento abundan las partes verdes en el árbol, su copa es máxima y su humedad mayor. Esto implica un aumento en el tamaño de los vasos que se han desarrollado hasta el momento, esto es, en la porosidad de la madera, que una vez seca, tendrá una densidad real menor respecto a la formada de cara al invierno y que aparece en mayor proporción en las muestras tomadas en Marzo- Abril. Por esta razón, los valores de poder calorífico en la madera de Junio-Julio, bajan un poco. Para llevar a cabo la recogida de la muestra, y dentro de la zona de estudio de unas 10 ha aproximadamente, se selecciona una parcela de 1 ha y en ella un individuo representativo de cada clase. Para seleccionar este individuo “tipo” se recurre a unos parámetros básicos de selección: - La altura media del individuo debe ser representativa de la formación forestal de la zona. Para ello se utiliza un hipsómetro SUUNTO PM-5/1520. - La localización de este individuo debe estar en el centro de la formación con la intención de eliminar el “efecto borde”. Los árboles que limitan perimetralmente una formación forestal, y debido principalmente a su mayor exposición al sol en determinados momentos del día, poseen peculiaridades que los hacen inadecuados para el estudio como una mayor cantidad de ramas, una distribución diferencial de las mismas, menor altura proporcional media respecto de sus diferentes dimensiones o más masa verde en determinados momentos del año. - La edad debe estar en el rango propio de la clase marcada. Esta decisión se toma en función del grosor del tronco. - Que el individuo seleccionado no esté enfermo o que presente anomalías o irregularidades que lo diferencien del resto de los individuos de su clase y de la formación forestal a estudiar. Una vez seleccionado el árbol se apea y desrama con la ayuda de una motosierra y otros útiles propios de labores silvícolas (rastrillo, picos, palas, desbrozadora, hoces, etc.) con el objetivo secundario de cuantificar los residuos forestales generables en los futuros procesos de clareo y ordenación. A pesar que estos datos sólo los utilizamos Capítulo 2. Trabajo experimental 63 como una referencia en este trabajo, ya que se tomó la decisión de realizar los estudios en el tronco (fuste) a una altura siempre igual de 1,3 m, diámetro normal, habitual en las mediciones dasométricas para centrarnos en la madera más adecuada para producir leña, los valores medios de producción de residuos forestales por árbol adulto son del orden de los 200 kg. Estos valores serían para un individuo de unos 20 cm de diámetro incluída la raíz. Estos valores deben tomarse con mucha bondad ya que entre individuos similares puede haber diferencias de un 20 % [10, 11]. Para la cuantificación de los residuos forestales se extiende en el suelo una lona sobre la que se depositan los restos de la corta, y utilizando un dinamómetro de gran capacidad y precisión PROMAN (de 0 a 200 kgf) se pesan. Una vez desramados se trocea el tronco “en rodajas” perpendiculares a su eje mayor y se extrae una muestra de aproximadamente unos 10 kg. Esta muestra se introduce en un saco de polietileno y se cierra herméticamente para su traslado posterior al laboratorio. La intención de este proceder es evitar en medida de lo posible la pérdida de humedad, un parámetro importante a la hora de determinar su poder calorífico inferior. En este estudio, y debido al objetivo marcado, veremos como este parámetro pasa a ser orientativo. Figura 19. Durante el trabajo de campo el material básico empleado ha sido la motosierra, aunque también de forma puntual y como apoyo a las labores necesarias hayan podido utilizarse, picos, hachas, tijeras de poda, rastrillos, dinamómetro, EPI´s etc. Capítulo 2. Trabajo experimental 64 2.1.4. Trabajo de laboratorio 2.1.4.1. Preparación de las muestras Una vez en el laboratorio, las muestras son sometidas a una serie de medidas dendrométricas con el objetivo de determinar su área total y la proporción de duramen, albura y corteza de cada una de ellas y ver como ésta varía con las diferentes clases estudiadas y si podría afectar a otras propiedades que vamos a estudiar. En la Tablas 15 y 16 se recogen los valores de estas mediciones. Posteriormente se trocean con la ayuda de un hacha con el fin de favorecer el proceso de secado. Una parte pequeña de la muestra se separa, se trocea con la ayuda de un hacha y una tijera de poda y con ella se determina la densidad real utilizando una balanza Mettler Toledo XS 104 (Figura 21) con una sensibilidad de 0,1 mg con un kit de densidad XS [12]. Se determinan por separado la densidad de las diferentes partes de la madera: duramen, albura y corteza. Los resultados de estas medidas se recogen en la Tabla 17. Figura 20. Detalle de la balanza científica Mettler XS104 con el kit para la determinación de densidades. El resto de la muestra se pesa con una balanza SALTER AND EP 22KA con una sensibilidad de 0,1 g y posteriormente se introduce en un arcón desecador de convección natural DRY-BIG 220 III a 105 ºC hasta peso constante. Este arcón desecador tiene una capacidad de 400 litros y un rango de temperatura desde (40 hasta 250) ºC, Capítulo 2. Trabajo experimental 65 con una homogeneidad de ± 1,5 ºC y una estabilidad de ± 0,5 ºC. Una vez pasado este periodo se determina la pérdida de peso [13-14] por diferencia de pesada. En este estudio la determinación de la humedad no deja de ser un parámetro orientativo ya que los cálculos de poder calorífico se van a hacer sobre base seca, y al (10, 15 y 20) % de humedad. Estos datos de humedad son por otro lado determinantes en estudios de formaciones forestales con el objetivo de determinar índices de riesgo para prevenir y luchar eficazmente contra los incendios forestales [15-18] o para estudios de pérdida de humedad en cabeceras de plantas de procesado o generación energética a partir de biomasa forestal [5-9]. Figura 21. A la izquierda molino Retsch SM-1 y a la derecha molino IKA A 11. El proceso de doble molienda es imprescindible para preparar las muestras para la parte analítica. Una vez determinada la humedad, las muestras se trituran en un molino de cuchillas RETSCH SM-1, especial para materiales fibrosos blandos y semiduros, provisto de dos tamices intercambiables de (2 y 10) mm de luz. Este molino, Figura 21 izquierda, se utiliza para triturar las muestras de residuos forestales ya secas hasta convertir la leña en finas astillas. Esta muestra se sube al laboratorio de calorimetría y se somete a otro proceso de molienda más fino con un molino de análisis IKA A 11 basic. Este molino es útil para desmenuzar muestras por impacto para materiales duros, quebradizos o frágiles mediante el empleo de un batidor de acero inoxidable. Este batidor puede utilizarse hasta una dureza Mohs de 6. Su interior es un recipiente de Tefcel (ETFE, reforzado con fibra de vidrio) con entrada de acero inoxidable (AISI 316L) y un volumen Capítulo 2. Trabajo experimental 66 útil de 80 ml. La razón de esta doble molienda es homogeneizar más la muestra antes de su estudio energético. Ahora ya tenemos las muestras listas para su análisis. Una parte se utiliza para el análisis elemental, otra en la determinación del carbono fijo, los volátiles y las cenizas, y otra en las experiencias calorimétricas y de termogravimetría (TGA). 2.1.4.2. Determinación de la composición elemental Las determinaciones de la composición elemental (C, H, O, N y S) de las diferentes muestras fueron realizadas en la Unidad de Análisis Elemental de la USC [19]. Esta unidad forma parte de la red de infraestructuras de apoyo a la investigación y desarrollo tecnológico de la USC (RIAIDT). Para realizar las determinaciones se utilizaron un: - Analizador Elemental FISONS modelo EA 1108 para la determinación del C, H, N y S a partir de muestras de (1 a 10) mg, con una precisión < 0,3 % absoluto y una reproducibilidad < 0,2% absoluto. - Analizador Elemental CARLO ERBA modelo EA 1108 para la determinación de O a partir de muestras de (1 a 10) mg, con una precisión < 0,3 % absoluto y una reproducibilidad < 0,2% absoluto. - Analizador Elemental THERMO FINNIGAN modelo FLASH 1112 para C, H, N, O y S a partir de muestras de (2 a 20) mg, con una precisión < 0,3 % absoluto y una reproducibilidad < 0,2% absoluto. 2.1.4.3. Determinación del carbono fijo, los volátiles y las cenizas Para la determinación del carbono fijo, volátiles y cenizas recurrimos a la normativa ASTM International (American Society for Testing and Materials) [20-22]. Así para la: - Determinación de las cenizas seguimos las pautas marcadas en la norma ASTM D 1102-84 (2007) [20]. Este método de ensayo determina la cantidad de cenizas, expresada como el porcentaje de residuo que queda después de la oxidación seca, de (580 a 600) ºC, de madera o productos derivados de madera. Para ello se introducen 2 g aproximadamente de muestra picada en un crisol de porcelana. Crisol y muestra se introducen en una estufa a 105 ºC hasta peso constante, aproximadamente 1 h. A continuación se introducen en un horno de mufla eléctrico SELECTA SELEC HORN a (580-600) ºC, Figura, hasta peso constante unas 3 h. Pasado Capítulo 2. Trabajo experimental 67 este tiempo se sacan las muestras y se introducen en un desecador a enfriar y se van pesando a intervalos de 30 minutos hasta peso constante. Por diferencia de pesadas se calcula el porcentaje de cenizas. El horno de mufla con el que trabajamos tiene las características siguientes: o Un máximo de temperaturas regulables hasta 1.150 °C con una precisión de selección de ± 1 °C del valor seleccionado. o Controlador electrónico digital de temperatura y tiempo. o Hasta 6 rampas de temperatura programables. - Determinación de los volátiles seguimos las pautas marcadas en la norma ASTM D 872-82 (2006) [21]. El procedimiento utilizado es similar al anterior con la salvedad que la temperatura del horno de mufla es cercana a los 950 ºC y el tiempo de residencia en el mismo de unos 5 minutos. - Determinación del carbono fijo [22], se realiza a partir de los resultados de cenizas y volátiles utilizando la siguiente expresión: (%) (%) (%) 100 cenizasvolátileshumedadfijoCarbono −−−= (1) Figura 22. Vista general del horno de mufla SELECTA SELECT HORN. Capítulo 2. Trabajo experimental 68 2.1.4.4. Experiencias calorimétricas: determinación del poder calorífico 2.1.4.4.1. ¿Qué es una experiencia calorimétrica? El fundamento teórico de cualquier experiencia calorimétrica de combustión es determinar la variación de energía que acompaña a una reacción de combustión bajo condiciones determinadas y con estados bien definidos (p, V, T, composición y masa) asumiendo que la energía interna de un estado bien definido no varía con el tiempo [23]. Así tenemos que toda experiencia calorimétrica consta de 3 fases principales [24]: - Fase Calorimétrica, en la que se determina la variación exacta de la energía de la reacción, en nuestro caso liberada. - Fase Química, caracterización precisa de los estados inicial (Eo) y final (Ef) de la reacción. - Fase Conversión resultados a valores de energía standard [25-26] de combustión a 295,15 K (temperatura a la que ocurre el proceso isotérmico de la bomba). Esto se hace porque la variación energética ha de corresponder a unas condiciones estándar, con la totalidad de los reactivos y de los productos en sus estados estables (gaseoso, líquido o sólido) a la temperatura de referencia escogida (295,15 K) y presión de 1 atmósfera. Interesa hacer esta corrección para que los datos obtenidos puedan ser contrastados por otros investigadores. Por lo tanto, en una experiencia calorimétrica se determina la variación de energía que acompaña a una determinada reacción, en nuestro caso, de combustión. 2.1.4.4.2. Pero, ¿qué es un sistema calorimétrico? Para poder determinar el poder calorífico de una muestra de combustible, en este caso biomasa forestal, recurrimos a un sistema calorimétrico o calorímetro. Es decir, un sistema termodinámico con unos límites controlados a través de los cuales se intercambia determinada cantidad de energía con los alrededores. Un sistema calorimétrico se puede entender como constituido por dos partes principales: - Una parte inalterable, y común a todas las experiencias a realizar, constituida por el calorímetro propiamente dicho y los elementos que se utilizan reiteradamente en cada experimento como la cantidad de agua, el oxígeno, el Capítulo 2. Trabajo experimental 69 hilo de algodón y la cámara de combustión o bomba. Su energía equivalente o capacidad calorífica, es constante, aunque puede experimentar pequeñas variaciones debidas a cambios de temperatura. - Una parte variable, constituida por la muestra que se quiere analizar y aquellos elementos “extra” que podamos utilizar como crisoles desechables, facilitadores de la combustión, o cápsulas de melinex. Las energías equivalentes de sus estados inicial y final son calculadas como la suma de las capacidades caloríficas del contenido de la bomba antes y después de cada experiencia. De manera más concreta nuestro calorímetro se puede definir como: - isoperiférico de líquido agitado, porque entre la cámara de reacción, también llamada bomba calorimétrica u obús, hay una cantidad de agua a temperatura casi constante sometida a una agitación constante. - de bomba estática porque la reacción de combustión se da en el interior de un cilindro metálico de gruesas paredes y herméticamente cerrado. - en atmósfera de oxígeno, porque la reacción se produce en una atmósfera saturada de oxígeno puro C45 de Carburos Metálicos con una pureza de 99,995 %. Por lo tanto podemos definir la técnica calorimétrica como una técnica experimental que detecta directamente el flujo de calor o el gradiente de temperatura de un sistema cuando tiene lugar un proceso físico-químico de naturaleza endo o exotérmica, es decir, una medición cuantitativa de un intercambio de calor. La calorimetría se utiliza con éxito como una herramienta analítica complementaria desde 1.760 [27-31] estudiando diferentes procesos termodinámicos a través de la medida de la transformación de diferentes “energías” en calor. De forma más particular en nuestro caso la calorimetría de combustión en bomba permite evaluar la variación de energía en una reacción de combustión en la que se rompe el esqueleto carbonado de un compuesto cuando se quema en una atmósfera de oxígeno. Si la experiencia calorimétrica se realiza en condiciones perfectamente definidas puede calcularse la variación de la energía que se produce en la misma, es decir, en nuestro caso el poder calorífico o energía contenida en una unidad de masa de combustible (kJ kg-1). De manera más concreta, el sistema calorimétrico utilizado en este estudio realiza una medida de la variación de energía de una reacción de combustión en la cual se produce la rotura del esqueleto carbonado de un compuesto en atmósfera de oxígeno, o Capítulo 2. Trabajo experimental 70 dicho de otra manera, determina la energía asociada a una reacción cuando ésta se produce en unas condiciones preestablecidas. 2.1.4.4.3. Generalidades del sistema calorimétrico o calorímetro Para la determinación del poder calorífico se utilizó un sistema calorimétrico, o calorímetro, IKA C 5000 control (Figura 23). Este equipo, que goza de reconocimiento internacional por su fiabilidad y posibilidades que presenta, se utiliza de manera habitual en empresa y/o investigación para determinaciones rutinarias del poder calorífico de muestras sólidas y líquidas. Entre sus principales características destacar [32]: - La total automatización de las mediciones, proceso tedioso y que ocupa mucho tiempo de dedicación en los calorímetros convencionales. - Posee un sistema de llenado y evacuación de oxígeno integrado. - Un depósito de agua y un sistema de refrigeración C 5001 para refrigerar el circuito del agua de la célula de medición. El proceso de llenado y vaciado de agua de la célula de medición es automático. - Puede trabajar según el principio adiabático, isoperibólico o dinámico (como el método adiabático pero en menor tiempo). - La medición y cálculo del poder calorífico la realiza según DIN 51900, ISO 1928, ASTM D240, ASTM D4809, ASTM D5865, ASTM D1989, ASTM D5468 y ASTM E711. - Posee un campo de medición de 40.000 J, equivalente a un incremento de temperatura aproximado en el interior de la cámara de combustión de 4 K. - Es modulable, es decir, se pueden acoplar diferentes células de medición. Capítulo 2. Trabajo experimental 71 Figura 23. Vista general del sistema calorimétrico IKA C5000 control. En la imagen se pueden ver claramente diferenciados los 3 elementos básicos: controlador (izquierda y de color azul), célula de medición (centro de color blanco y con la bomba calorimétrica colocada en su soporte) y sistema de refrigeración C5001 (derecha y de color azul). 2.1.4.4.4. Descripción de los componentes del sistema El sistema calorimétrico [32] está formado por 3 elementos principales (Figura 23): - El controlador que funciona como unidad central de mando (parte izquierda de la Figura 23 en color azul y más en detalle en la Figura 24), operación e indicación de todos los componentes del sistema. Todos los parámetros del experimento y de operación se introducen a través de su consola de mando (Figura 24 derecha). Durante la determinación del poder calorífico, controla, regula y visualiza todas las fases del desarrollo de la medición, desde el diálogo con el operador hasta la comunicación con los diferentes equipos periféricos (impresora, balanza, gradilla de muestras, PC externo, etc.) pasando por la ejecución y supervisión automática de los experimentos o el almacenamiento y tratamiento de datos. Capítulo 2. Trabajo experimental 78 Figura 27. En la consola del controlador, una vez finalizada la experiencia, puede observarse dato obtenido del poder calorífico. Además, y de forma sencilla, se recoge la gráfica temperatura-tiempo. Por lo tanto para una determinación precisa del poder calorífico de una sustancia combustible se exige que la combustión se desarrolle en unas condiciones perfectamente definidas según unas normas preestablecidas que parten de los siguientes supuestos: - Antes de la combustión la temperatura del combustible debe ser de 22 ºC. - Tanto el agua propia del combustible antes de la combustión como el agua que se forma al quemarse los compuestos hidrogenados del combustible debe encontrarse en estado líquido después de la combustión. - No se produce oxidación del nitrógeno del aire. - La composición de los productos de combustión gaseosos es oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y dióxido sulfuroso. Pero es habitual que se formen durante combustión otro tipo de productos a mayores de los que suponen las normas. Es por esta razón, que se debe realizar un análisis químico previo a la muestra y otro a los productos generados en la combustión con el objetivo de realizar una corrección de los resultados [34-39]. Ahora ya podemos determinar el poder calorífico normalizado a partir del poder calorífico medio determinado en el calorímetro y los datos de la analítica. Capítulo 2. Trabajo experimental 79 El sistema calorimétrico IKA determina [32]: - Por un lado el poder calorífico Ho (Poder calorífico superior a volumen constante), o cociente entre la cantidad de calor liberada en caso de una combustión completa y el peso de la muestra asumiendo que el agua que se forma antes de la combustión de los compuestos hidrogenados del combustible va a estar en estado líquido después de la combustión con una temperatura de referencia de 22 ºC. - Y por otro el valor calorífico Hu (Poder calorífico inferior a volumen constante) o el valor del poder calorífico menos la energía de condensación del agua contenida en el combustible y formada por la combustión. Es el valor de referencia desde el punto de vista técnico. Pero tal y como comentamos antes, y debido a que durante un experimento de combustión se origina calor procedente de energía de “extraños”, debemos realizar unas correcciones básicas: - Corrección por el uso de medios de ignición. En este punto se incluye el calor de combustión del hilo de algodón y la energía eléctrica generada para provocar la ignición de la muestra. - Corrección por el posible uso de sustancias auxiliares facilitadoras de la combustión. Sólo en caso de muestras poco inflamables o difícilmente se combustibles se recurre al uso de este tipo de sustancias. En nuestro la sustancia utilizada es el ácido benzoico certificado por el National Bureau of Standards (NBS-Standard Sample 39) [32, 40-46] con un poder calorífico certificado de 26.460 J g-1. - Corrección de ácido [34-36]. Debido a que la mayoría de las sustancias contienen azufre y nitrógeno, durante la combustión se forman SO2, SO3, y NOx. Estas sustancias en combinación con el agua de la combustión y la humedad dan lugar a ácido sulfúrico y nítrico mayoritariamente, así como calor de solución. Este calor de solución debe ser corregido para obtener el valor calorífico normalizado según la norma DIN 51900 [47]. - Corrección por restos de cenizas. Para ello se seca en una estufa de convección el crisol y se pesa [34-39], por diferencia de pesadas obtenemos el porcentaje de cenizas generado en la combustión. Si la experiencia calorimétrica se desarrolla correctamente la presencia de cenizas es Capítulo 2. Trabajo experimental 80 despreciable. Por este motivo no se contempla en el método dinámico ni en la Figura 28. Figura 28. En la figura se recoge de manera esquemática los diferentes elementos responsables en la cuantificación del calor de combustión obtenido en cada experiencia calorimétrica. El valor final del poder calorífico de la muestra de combustible se obtiene mediante una corrección automática que realiza el equipo previa introducción del protocolo de trabajo por parte del operador. En la Figura anterior se recoge de manera esquemática el calor de combustión de la muestra y la energía de extraños, y que puede fluctuar considerablemente en relación al calor de combustión de la muestra de combustible. 2.1.4.4.9. Representación de los resultados A medida que la experiencia va avanzando, en la consola se va realizando una representación gráfica de la misma en donde se muestra la variación de la temperatura, (T), frente al tiempo, (t). Todas las experiencias llevadas a cabo en este trabajo, al igual que las revisadas en la bibliografía [48], se pueden dividir en tres periodos principales tal y como se puede ver en la Figura 29: - Periodo inicial (AB), se caracteriza porque el cambio de temperatura del calorímetro es debido a la transferencia de calor desde la camisa, con una temperatura mayor que la del calorímetro, y a la energía de agitación. - Periodo principal (BC), en el cual tiene lugar la mayor parte del incremento de temperatura causado por la combustión que se produce dentro de la bomba. Cantidad calor de: Muestra d e combustible Sustancias auxiliares Medios ignición Ácido sulfúrico Ácido nítrico Energía de extraños Capítulo 2. Trabajo experimental 81 - Periodo final (CD), en el que al igual que en el periodo inicial, el incremento de temperatura es debido a la energía de agitación y a la transferencia de calor entre la camisa y el calorímetro. Los tramos (AB) y (CD), que corresponden a los periodos inicial y final respectivamente, son curvas en las que la variación de la temperatura en función del tiempo se puede aproximar, a la siguiente ecuación diferencial: )( TTk dt dT −= ∞ (9) donde T∞ es la temperatura a la que llegaría el calorímetro en un tiempo infinito si la velocidad de agitación se mantuviese constante, y recibe el nombre de temperatura de convergencia del calorímetro y k es la constante de enfriamiento o gradiente de temperatura cuando T∞-T es igual a 1 K, siendo sus dimensiones de tiempo-1. Figura 29. En la consola del controlador, una vez finalizada la experiencia, puede observarse la identificación de la bomba calorimétrica (1), la denominación automática de la muestra y que el equipo guarda en su base de datos (2), la masa de la muestra (3) y el valor obtenido del poder calorífico (4). Además, y de forma sencilla, se recoge la gráfica temperatura-tiempo en donde se pueden observar los tres periodos (inicial, principal y final), y la ∆Tcorr, valor que el calorímetro usa como referencia para el cálculo del poder calorífico [23, 49-51]. 1 Periodo inicial 2 3 4 Periodo principal Periodo final ∆Tcorr Capítulo 2. Trabajo experimental 82 En la Figura 29 se observa una gráfica obtenida en una experiencia calorimétrica. Estas gráficas son similares a las extraídas en la bibliografía. 2.1.4.5. Análisis termogravimétrico: TGA 2.1.4.5.1. Generalidades de la técnica La termogravimetría (TGA o TG), es una rama del análisis térmico, que estudia el cambio de masa de una muestra en función del tiempo (método isotermo), o en función de la temperatura (método dinámico). Este cambio puede ser debido a reacciones químicas, procesos de descomposición, evolución de disolventes, transiciones de Curie u oxidaciones. Por este motivo esta técnica es utilizada habitualmente para caracterizar la descomposición y la estabilidad térmica de materiales bajo determinadas condiciones y/o para examinar las cinéticas de los procesos físico-químicos que ocurren en la muestra. Aunque no en todos los acontecimientos térmicos se produce necesariamente un cambio en la masa de la muestra, y como ejemplo tenemos una cristalización o una transición vítrea, existe un gran número de procesos en los que sí se experimenta una pérdida de masa considerable. Así tenemos casos como el de la absorción, oxidación y/o reducción. Este cambio de masa depende de las condiciones experimentales empleadas como la masa, volumen y estado físico de la muestra, la forma y naturaleza del horno, la presión atmosférica o la velocidad de calentamiento. Por lo tanto, las condiciones experimentales deben ser prefijadas y mantenidas a lo largo de toda la investigación para garantizar la reproducibilidad del método. Una curva termogravimétrica representa generalmente el cambio de masa, expresado en porcentaje, frente al tiempo o a la temperatura, en función del tipo de ensayo. La reacción está caracteriza por dos temperaturas, Ti y Tf, que se denominan temperaturas de descomposición inicial y final, respectivamente, y sus valores no tienen un significado absoluto ni tampoco el intervalo (Ti, Tf), ya que dependen de las condiciones de trabajo. El análisis termogravimétrico se presenta como una opción adecuada para la caracterización de las fracciones lábiles y estables de biocombustibles aportando información valiosa tanto sobre su “durabilidad” en una caldera convencional como de las cenizas y escorias que éste puede generar. Esta información nos permite tener una Capítulo 2. Trabajo experimental 83 idea clara no sólo de la cantidad de productos de deshecho producidos sino también de las necesidades de combustible, y por lo tanto y de forma indirecta, del rendimiento de las instalaciones de calefacción y ACS (Agua Caliente Sanitaria). 2.1.4.5.2. Descripción del equipo El sistema de análisis térmico TGA7 de Perkin Elmer [50] con el que trabajamos en este estudio nos permite cuantificar el cambio de masa que experimenta una muestra de biomasa en función de la temperatura o del tiempo. El equipo está compuesto por un analizador termogravimétrico, un controlador del sistema y un registro gráfico (Figura 30). De forma más detallada el analizador se compone de dos elementos [52]: - Una microbalanza electrónica, basada en el sistema de balance nulo, para lo que utiliza un motor de torsión servo-controlado que compensa los cambios de masa que se van generando durante el experimento. Así, la potencia eléctrica necesaria para mantener el sistema en el balance nulo es directamente proporcional al cambio de masa de la muestra. Es extremadamente sensible, pudiendo detectar variaciones de hasta 0,1 µg con una capacidad máxima de muestra de 130 mg. Cuando se coloca la muestra en el portamuestras, su soporte se desvía y un detector de desviación mide su posición por medio de un sensor óptico. Para que el soporte retorne a su posición original se necesita un suministro de corriente eléctrica, y esta cantidad de corriente necesaria para este proceso nos permite conocer la variación de la masa de la muestra. - Un horno con un rango muy amplio de temperaturas, desde temperatura ambiente hasta 900 ºC, y con velocidades de calentamiento muy distintas, entre (0,1 ºC y 200 ºC min-1), en incrementos de 0,1 ºC min-1. Este horno de pequeño tamaño está recubierto de platino para favorecer que los calentamientos y enfriamientos sean lo más rápidos posible (hasta 200 ºC min-1) y que los tiempos entre ensayos se acorten. Esto es posible gracias a un calentador y un termostato, que detecta su propia temperatura y suministra energía suficiente para calentar la muestra con gran precisión y sensibilidad en el control de la temperatura. Las medidas de temperatura en el interior del horno a lo largo de todo el ensayo están controladas por un termopar de cromel-alumel situado en la base del horno. Capítulo 2. Trabajo experimental 84 Figura 30. Foto TG. A la izquierda e puede observar en detalle la TG con el el horno abierto y con el ordenador, y a la izquierda la cápsula de aluminio abierta en donde se introduce la muestra colgando de la balanza. 2.1.4.5.3. Calibrado de la TGA El calibrado de la termobalanza se realiza siguiendo de manera rigurosa las instrucciones suministradas por Perkin-Elmer en la rutina Calibration Program [52] con sus patrones de calibrado. Para realizar un calibrado completo del equipo hay que realizar tres calibrados “parciales”: - Un calibrado del horno, realizado automáticamente por el equipo entre el límite de las dos temperaturas a las que se van a realizar los experimentos. - Un calibrado de la temperatura, consistente en utilizar las temperaturas de los puntos de Curie (temperatura por encima de la cual un material ferromagnético pierde su magnetismo, convirtiéndose en paramagnético) de distintos metales y aleaciones. En este trabajo se emplearon específicamente dos aleaciones, el alumel (Tc=163 ºC) y el perkalloy (Tc=596 ºC). - Un calibrado en peso utilizando un patrón de 100 mg suministrado por la casa. Capítulo 2. Trabajo experimental 85 2.1.4.5.4. Realización de una experiencia de termodegradación: desarrollo de un experimento Antes de comenzar con el experimento debemos abrir los gases que se van a utilizar, en nuestro caso aire sintético Zero para el horno y nitrógeno Premier como purga. A continuación, se enciende la campana extractora de gases conectada al horno y el compresor, responsable del funcionamiento del sistema neumático que controla la apertura y cierre del horno. Introducimos en el diálogo de trabajo la denominación de la experiencia y el protocolo de operación, principalmente el método (dinámico o isotermo) la velocidad de calentamiento y rango de temperaturas. Ahora ya estamos en disposición de iniciar el procedimiento experimental. Así y de forma muy resumida: 1. Leemos el cero e introducimos unos 3 mg de muestra en forma de polvo en el plato de la termobalanza. Cuanto más fina sea la muestra mejor representatividad y reproducibilidad vamos a obtener. Mandamos el horno a 50 ºC mientras estamos preparando el experimento para asegurarnos de mantener las condiciones de inicio lo más estables posibles. 2. Cerramos el horno con la muestra en el interior y comprobamos el peso de la misma. Una vez estabilizado este peso comenzamos con la experiencia de termodegradación. 3. Reajustamos los ejes para trabajar en ordenadas con masa en % y en abscisas con temperatura de (50 a 800) ºC. En este estudio se realizó también un experimento isotermo a 600 ºC con una de las muestras con el objetivo de reproducir las condiciones de trabajo en una caldera. Para ello se repite el procedimiento experimental anteriormente comentado con las modificaciones puntuales en la velocidad de calentamiento, de 200 ºC min-1, y en la temperatura máxima, de 600 ºC. Con este tipo de experimentos tratamos de cuantificar el tiempo de degradación del combustible y que podría ayudar a valorar las cantidades necesarias de combustible en una caldera convencional. Capítulo 2. Trabajo experimental 86 Figura 31. Foto TG. Se puede observar en detalle la TG con el horno abierto (iquierda), y la cápsula de aluminio abierta en donde se introduce la muestra (centro), y la TG con el horno ya cerrado (derecha). 2.1.4.5.5. Interpretación de los resultados En termogravimetría existen numerosos factores que pueden afectar a la naturaleza, precisión y exactitud de los resultados obtenidos, destacando de forma importante aquellos debidos a la naturaleza dinámica del cambio de temperatura que sufre la muestra a lo largo del experimento. Entre estos factores se deben destacar: - La velocidad de calentamiento, con una gran influencia en la forma del termograma, principalmente en lo que se refiere a la determinación de las temperaturas inicial, Ti, y final, Tf, de la reacción. - La atmósfera del horno. - La masa de la muestra [53, 54], por ser los que más modifican las curvas termogravimétricas. Como ya se ha comentado anteriormente, una curva termogravimétrica (TG) representa el cambio de masa que experimenta una muestra frente a la temperatura o al tiempo. En la Figura 32 se muestra una curva termogravimétrica de un único escalón. En ella la reacción se distingue por dos temperaturas características, Ti y Tf. De forma más concreta se puede decir que Ti es la temperatura previa a la descomposición, o dicho de otra manera, la temperatura más baja a la cual la aparición (onset) de un cambio de masa es detectable, bajo unas determinadas condiciones experimentales. De la misma manera Tf es la temperatura final o temperatura más baja a la que el proceso de pérdida de masa ha acabado. Capítulo 2. Trabajo experimental 87 Figura 32. Curva típica de un proceso de termodegradación con un único escalón de descomposición [55]. La pérdida porcentual de masa, ML, que se define como positiva, viene dada por la la expresión: 100 m mm M i fi L − = (10) en donde mi y mf son las masas correspondientes a las temperaturas Ti y Tf. Después de la reacción de descomposición aparece un residuo que puede ser cuantificado a través de la siguiente expresión: 100 m m i f =R (11) La derivada de un termograma (DTG) es una función muy utilizada ya que nos permite conocer la velocidad de pérdida de masa y la temperatura a la cual la velocidad del proceso de termodegradación es máxima. La velocidad de pérdida de masa se puede expresar matemáticamente como función del tiempo: f(t) dt dm = (12) o, menos frecuentemente, como función de la temperatura: f(T) dT dm = (13) En cualquiera de los casos, se obtienen una serie de picos cuyas áreas son proporcionales al cambio total de masa. La meseta que se puede observar en la curva Capítulo 2. Trabajo experimental 94 Volviendo a derivar:       − −−= − − −−= =−−−= − −− − −− dT dα α)(1 n RT E α)(1e β A dT dα n α)(1 α)(1 e β A α)(1 RT E e β A dT dα nα)(1e β A α)(1 RT E e β A dT αd 2 n RT E n RT E 2 RT E 1n RT E n 2 RT E 2 2 (27) Con lo que:       − −= dT dα α)(1 n RT E dT dα dT dα 22 2 (28) En el punto de inflexión se anula la segunda derivada, y a la temperatura de degradación máxima, se obtiene: mm 2 mdT dα α1 n RT E − = (29) de modo que para conocer E deberíamos conocer n, ya que dα/dTm,αm y Tm son datos experimentales evaluables a partir de ensayos termogravimétricos. Combinando las ecuaciones (26) y (29) para αm: 1n m RT E m n m RT E 2 m )αn(1e β A α1 n )α(1e β A RT E mm − −− −= − −= (30) Como para un valor determinado de n, (1-αm) es constante, tenemos que despejando 2 m T β y tomando logaritmos: m 1n 2 mRT E α)n(1 E AR ln T β ln −      −=        − (31) De esta forma, una representación de ln (β/Tm2) frente a 1.000/Tm, conduce al valor de E sin un conocimiento previo del mecanismo de reacción siempre que esta sea de orden n. Criado y Ortega [61] determinan la influencia de la cinética de la reacción y el error en el cálculo de la energía de activación utilizando este método. En el presente trabajo se ha empleado el método de Kissinger para analizar la cinética de degradación de la biomasa pero, en nuestro caso, dado que la curva presenta varios escalones correspondientes a los diferentes tipos de material Capítulo 2. Trabajo experimental 95 degradado, se han calculado las energías de activación correspondiente a cada escalón de degradación [62]. Métodos de isoconversión Los métodos de isoconversión se basan en el principio de isoconversión que establece que la velocidad de reacción, a un valor de la conversión constante, sólo es función de la temperatura.En este trabajo se utilizarán los métodos de Flynn-Wall- Ozawa, y el método de Friedman. Método de Flynn-Wall-Ozawa [63, 64] Se trata de integrar: ( ) ( ) dTe β A f dα gT 0 RT E α 0 p∫∫ − = α =α (32) Para ello se introduce la variable: RT E x= (33) Despejando T y diferenciando: Rx E T= y dx Rx E dT 2 −= y cambiando los límites de integración:      →⇒→ ∞→⇒→ RT E x TT x 0T se obtiene: ( ) p(x) βR AE dx x e R E β A g2 x x =      −=α − ∞ ∫ (34) donde dx x e p(x) 0 2 x ∫∞ − = . Esta nueva integral puede ser evaluada para varios valores de x y en la bibliografía existen varias aproximaciones [65, 66]. Una de las series más comúnmente utilizadas para la estimación del polinomio es la expansión de Schlömilch, utilizada con buenos resultados por Doyle [67]. Capítulo 2. Trabajo experimental 96        + +++ − ++ + + −= + = −.... 4)3)(x2)(x(x 3 3)2)(x(x 2 2x 1 1 x)x(1 e p(x) x (35) Doyle considera suficiente tomar sólo los dos primeros términos de cada serie, con lo que: 2)x(x e p(x) x + = − (36) y comprobó que para x>20 y tomando logaritmos podía expresar p(x) como: log p(x)≈-2.315-0.457x. Flynn y Wall, por un lado, y Ozawa por otro, desarrollaron un método en el que usaban la aproximación de Doyle para, sin necesidad de conocer el orden de reacción, poder determinar la energía de activación. Según esto, la ecuación (34) se transforma en: ( ) 2)x(x e βR AE gx + =α − (37) Si tomamos logaritmos y reordenamos: ( ) RT 0.457E 2.315 Rg AE logβ log −− α = (38) El valor de E se obtiene a partir del ajuste de los datos del logβ·frente a 1/T, a un valor constante de α. Método de Friedman [60, 68] Tomando logaritmos neperianos en la ecuación (20), se obtiene: ( ) [ ] RT E - lnlnln α α β fA dT d+=       (39) Esta ecuación es la base del método de Friedman, que es un método de isoconversión diferencial. Debido a que este método emplea valores de la velocidad de degradación instantáneos, es muy sensible al ruido experimental, y tiende a ser numéricamente inestable, especialmente cuando la velocidad de degradación se estima por derivación numérica de los datos experimentales [69]. Numerosos investigadores [70-72] han demostrado la validez de este modelo para estimar de modo preciso la energía de activación del proceso de degradación térmica, Capítulo 2. Trabajo experimental 97 debido a que no incluye ninguna aproximación matemática y la estimación de E es independiente de f(α). El valor de E se obtiene a partir del ajuste de los datos del ln(β·dα/dT) frente a 1/T a un valor constante de α. Tanto el método de Flynn-Wall-Ozawa como el de Friedman, son métodos de isoconversión. Ello significa que las ecuaciones anteriores se aplican para un valor de la conversión dado, de manera que, haciendo un análisis similar en un amplio rango de conversiones, se pueden obtener diferentes valores para las energías de activación y, en el caso en que sea razonable, obtener la energía de activación del proceso de degradación como el valor medio de los obtenidos para un intervalo dado de conversiones. El método de Flynn, igual que el de Friedman, es un método de isoconversión, pero integral. La ecuación que emplea Flynn para el análisis de la cinética se obtiene asumiendo que la energía de activación es constante. Esta consideración introduce algún error sistemático en la estimación de Eα, si esta varía con α. Este error no aparece en el método de Friedman. Por este motivo, se puede estimar el error sistemático de un método integral de isoconversión comparándolo con el método de Friedman. Según varios autores, la diferencia entre las energías de activación determinadas por métodos diferenciales y por métodos integrales, no excede, en general, del 10 % [69]. Capítulo 2. Trabajo experimental 98 2.2. Bibliografía [1] Antonio Martínez Cortizas y Augusto Pérez Alberti. Atlas Climático de Galicia. Xunta de Galicia. Santiago de Compostela; 1999. [2] Montero de Burgos, J. L., González Rebollar, J. L. Diagramas Bioclimáticos. Instituto Nacional para la Conservación de la Naturaleza. Madrid; 1973. [3] http://www2.meteogalicia.es/galego/observacion/estacions/estacionsinfo.asp?n est=10100&red=102&idprov=1 [4] Núñez Fernández, Olga. Aplicación de un procedimiento experimental basado en la calorimetría y el análisis térmico para el estudio de la productividad y sostenibilidad en suelos. Tesis Doctoral. Santiago de Compostela; 2011 [5] Lisardo Núñez-Regueira, J.A. Rodríguez-Añón, J. Proupín, and A. Romero-García. Bioresource Technology. 2002;82:5-13. [6] Lisardo Núñez-Regueira, J.A. Rodríguez-Añón, J. Proupín, and A. Romero-García. Bioresource Technology. 2003;88:121-130. [7] L. Núñez-Regueira, J. Proupín-Castiñeiras and J. A. Rodríguez-Añón. Thermochimica Acta. 2004;420:29-31. [8] L. Núñez-Regueira, J. A. Rodríguez-Añón, J. Proupín, B. Mouriño, R. Artiaga-Díaz. Journal of Thermal analysis and Calorimetry. 2005;80:457-464. [9] J. A. Rodríguez-Añón, J. Proupín-Castiñeiras, Mª Villanueva-López, and B. Mouriño-Carballido, Thermochimica Acta. 2007;458:5-10. [10] http://www.usc.es/uxfs/IMG/Herramientas_selvicolas_para_la_gestion_forestal_ sostenible_en_galicia.pdf [11] Montero, G. Ruiz-Peinado, R., Muñoz, M. Producción de Biomasa y Fijación de CO2 por los bosques españoles. Monografías INIA, Serie Forestal, nº 13; 2005. [12] Blake G. R., Hartge K. H. Particle density. In: Klute, A. Editors. Methods of Soil Analysis, Part 1 Physical and Mineralogical Methods, second ed. American Society of Agronomy, Inc. and Soil Science Society of America, Inc. Madison. WI; 1998. [13] Lamprecht, I. Combustion calorimetry. In: Kemp, R.B. Editors. Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Elsevier. Amsterdam; 1999. [14] Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Serie P.K. Gallagher, Vol. 4, R. B. Kemp, Cap. 4, 14, Elsevier, Amsterdam; 1999. [15] Lisardo Núñez-Regueira, J. Rodríguez-Añón, J. Proupín, Antonina Vilanova Diz, Thermochimica Acta. 2002;394:279-289. Capítulo 2. Trabajo experimental 99 [16] L. Núñez-Regueira, J. A. Rodríguez-Añón and J. Proupín-Castiñeiras. Thermochimica acta. 2004;422:81-87. [17] L. Núñez Regueira, J. A. Rodríguez Añón, J. Proupín Castiñeiras, A. Vilanova Diz, Thermochimica Acta. 2002;394:267-278. [18] L. Núñez Regueira, J. A. Rodríguez Añón, J. Proupín Castiñeiras, A. Vilanova Diz, A. Romero García, Thermochimica Acta. 2002;394:291-304. [19] http://www.usc.es/gl/investigacion/riaidt/analise/equipamento.jsp [20] Standard Test Method for Ash in Wood. ASTM D1102-84; 2007. [21] Standard Test Method for Volatile Matter in the Analysis of Particulate Wood Fuels. ASTM E872-82; 2006. [22] K. W. Ragland, D. J. Aerts and A. J. Baker, Bioresource Technology 1991;37:161- 168. [23] Vilanova Diz, Antonina. Valoración energética de biomasa residual procedente de las explotaciones de pino de Galicia. Tesis Doctoral. Santiago de Compostela; 2003. [24] Sunner S.; Combustion Calorimetry, Vol. 1, Cap. 2, 13. In: S. Sunner and M.Mansson, Editors. Pergamon Press, Oxford; 1979. [25] Cox J. D.; Pilcher G.; Thermochemistry of Organic and Organometalfic Compounds. Academic Press, London and New York; 1970. [26] Mansson M.; Hubbard W. N.; Combustión Calorimetry, Cap. 5. Sunner S. and Mansson M., Editors. Pergamon Press, Oxford; 1979. [27] Armstrong G.T.; J. Chem. Educ. 1964;41:297-307. [28] Kleiber, M.; The Fire Of Life. John Wiley, New York; 1961. [29] Thompson B.; Phil. Mag. 1813;(1),41:285. [30] Davy H.; Phil. Trans. 1817;107, 45:77. [31] Partington J.R.; A History of Chemistry. Vol. 3. MacMillan & Co, Londres; 1962. [32] http://www.ika.com/ika/product_art/manual/ika_c_5000_englisch.pdf [33] Norme Internationale ISO 1928; 1976. [34] Jessup A.S. J.; Res. Nat. Bur. Stand. 1937;18:115. [35] Mehta R.K.S.; J. Sci. Ind. Research. 1954;1313:195. [36] Fujiwara S.; Narasaki J.; Anal. Chem.1968;40:2031-2033. [37] Hubbard W.N.; Scott D.W.; Waddington G.; Experimental Termochemistry. Vol. 1, Cap. 5. Rossini F.D. Editors. Interscience Publihers. Inc. New York; 1956 Capítulo 2. Trabajo experimental 100 [38] Prosen E.J.; Experimental Themiochemistry. Vol. 1, Cap. 6, Rossini F.D. Editors. Interscience Publishers Inc. New York; 1956. [39] Churney K.L., Domalsky E.S., Ledford A.E., Colbert J.C., Bruce S.S., Buckley T.J. Paule R.C.; Reilly M.L.; “Assesing the credibility of the calorific value of municipal waste”. U.S. Departament of Commerce, National B ureau Standards, Washington; 1984 [40] Svyetolavskii W., Popov M.J., Russ. Phys. Chem. Soc. 1914;46:935. [41] Svyetolavskii W., Popov M., Pakovich I.J. Russ. Phys. Chem. Soc. 1914;46:1293. [42] Svyetolavskii W. J. Amer. Chem. Soc. 1917;39:2595. [43] Verkade P.E. Chem. Weekblad. 1922;19:389. [44] Premier Rapport De La Commission Permanente De Termochimie. Union International de Chimie, Paris;1934. [45] Weaver E.R.; J. Am. Chem. Soc. 1913;35:1309. [46] Jessup A.S.; J. Res. Nat. Bur. Stand. 1940;25:747. [47] International Standards for Determining the gross calorific value of solid and liquid fuels using the isoperibol or static-jacket calorimeter, and calculation of net calorific value DIN 51900; 2000. [48] Cox J.D., Pilcher G. Termochemistry of Organic and Organometalic Compounds. Cap. 3, Academic Press. London: 1970. [49] White W.P. The Modern Calorimetry. Reinhold Publishing Corporation, New York; 1928. [50] Coops J., Jessup R.S., Van Nes K., Experimental Thermochemistry. Vol. 1, Cap. 3. Rossini F.D. Editors. Interscience. Publishers Inc. New York; 1956. [51] Coops J., Van Nes K. Rec. Trav. Chim. Pay Bas. 1947;66:131. [52] Users Manual, 1200 Series TGA7. Thermal Analysis System.The Perkin Elmer Corporation; 1993. [53] Wendlandt, W. W. and Simons, E. L. Thermochimica Acta. 1972;3:171-175. [54] Criado, J. M. and Morales, J. Thermochimica Acta. 1978;23:257-261. [55] Hatakeyama, T. and Quinn, F. X. Thermal Analysis. John Wyley & Sons. Chichester; 1994. [56] Nerwick, E. and Simons, E. L. Talanta. 1966;13:1401-1404. [57] Hatakeyama, T. Handbook of Thermal Analysis. John Wiley & Sons, New York; 1998. Capítulo 2. Trabajo experimental 101 [58] Salgado, J., Mato, M. M., Vázquez-Galiñares, A., Paz-Andrade, M., Carballás, T. Thermochimica Acta. 2004;410:141-148. [59] H. E. Kissinger, Anal. Chem. 1957;29:1702 [60] Fasina, O.and Littlefield, B. Fuel Processing Technology. 2012;102:61–66 [61] Criado, J. M. and A. Ortega, J. Non-Cristalline Solids. 1986;87:302-311. [62] Sasmal, S., Goud, V., Mohanty, K. J. Therm. Anal. Calorim. 2013;111:1649–1655. [63] Flynn, J. H. and Wall, L. A. J. Res. Nat. Bur. Standars A Physics. Chem. 1966;70A:487-523. [64] Ozawa, T. Bull. Chem. Soc. 1965;38:1881-1886. [65] Brown, M. E., Dollimore D. and Galwey, A. K. Reaction in the Solid Staty Comprehensive Chemical Kinetics, vol. 22, Elsevier, Amsterdam; 1980. [66] Kassman, A. J. Thermochim. Acta. 1985;84:89-99. [67] Doyle, C. D. Nature. 1965;207:290-291. [68] Friedman, H. Journal of Polymenr Science. 1964;Part C 6:183–195 [69] Vyazovkin, S. Journal of Computational Chemistry. 2001;22(2):178-183. [70] Vyazovkin, S. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2006;83:45–51. [71] Dahyia, J. B., Kumar, K., Muller-Hagedorn, M., Bockhorn, H. Polymer International. 2008;57:722–729. [72] Brown, M. E., Maciejewski, M., Vyazovkin, S., Nomen, R., Sempere, J., Burnham, A., Opefermann, J., Strey, R., Anderson, H.L., Kemmler, A., Keuleers, R., Janssens, J., Dessenyn, H.O., Li, C., Tang, T.B., Roduit, B., Malek, J., Mitsuhashi, T. Thermochimica Acta. 2000;355:125–143. Capítulo 3 Presentación y discusión de los resultados Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 110 En la Tabla 9 se recogen los valores del Poder Calorífico Inferior (PCI) de las muestras estudiadas. Para el cálculo del PCI genérico, y con la intención de eliminar del estudio la variable de la humedad del muestreo, se utilizó una humedad standard del 20 %. Además esta humedad es la más habitual de la leña estivada en un lugar techado y bien aireado. Lo más destacable de esta Tabla es que: - Los valores medios del PCI van de los 12.558,55 kJ kg-1 en Junio-Julio a los 12.914,10 kJ kg-1 de Marzo-Abril. Es decir, al igual que en el caso del PCS, una diferencia menor a los 800 kJ kg-1 entre los valores más extremos (de color rojo en la Tabla 9), y por lo tanto diferencias de PCI en torno al 6 % entre las muestras en cada muestreo. Muestra PCI (kJ kg-1) MARZO-ABRIL JUNIO-JULIO 1BSS 12.987,45±27,00 (0,21 %) 12.601,62±56,94 (0,45 %) 1BS NO S 12.939,26±66,81 (0,52 %) 12.345,08±143,40 (1,16 %) 1BSNOU 12.774,77±79,86 (0,63 %) 12.696,49±21,91 (0,17 %) 1CSS 13.044,42±69,36 (0,53 %) 12.653,14±80,22 (0,63 %) 1CSNOS 12.765,57±77,70 (0,61 %) 12.771,51±23,14 (0,18 %) 1CS NO U 12.689,25±20,10 (0,16 %) 12.706,74±1,28 (0,01 %) 2BSS 13.206,78±20,70 (0,16 %) 12.747,03±24,61 (0,19 %) 2BS NO S 13.072,79±49,71 (0,38 %) 12.023,99±105,01 (0,87 %) 2BSNOU 13.010,88±57,43 (0,44 %) 12.278,11±138,53 (1,13 %) 2CSS 12.708,37±22,13 (0,17 %) 12.639,83±98,17 (0,78 %) 2CSNOS 12.879,16±12,97 (0,10 %) 12.462,30±67,54 (0,54 %) 2CS NO U 12.962,81±22,22 (0,17 %) 12.462,61±55,13 (0,44 %) 3BSS 13.044,88±72,80 (0,56 %) 12.865,45±25,27 (0,20 %) 3BS NO S 12.536,56±124,22 (0,99 %) 12.357,31±67,27 (0,54 %) 3BSNOU 12.981,41±23,66 (0,18 %) 12.815,92±38,82 (0,30 %) 3CSS 13.112,63±47,54 (0,36 %) 12.866,53±82,86 (0,64 %) 3CSNOS 12.821,46±33,88 (0,26 %) 12.151,64±25,94 (0,21 %) 3CS NO U 12.914,45±140,57 (1,09 %) 12.608,66±30,66 (0,24 %) 12.987,45±27,00 (0,21 %) 12.987,45 Poder Calorífico en kJ kg-1 ±27,00 la desviación típica (0,21 %) error en las medidas PCI medio 12.914,10 kJ kg-1 12.558,55 kJ kg-1 Tabla 9. Poder Calorífico Inferior (PCI) de las muestras estudiadas. - De forma general el PCI es siempre mayor en las muestras recogidas en el periodo Marzo-Abril. Las “anomalías” presentadas en este comportamiento son Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 111 debidas a la composición elemental, de forma más concreta, en lo referente a la concentración del hidrógeno. - Estudios realizados en nuestro Grupo de Investigación con maderas de Paulownia y Chopo determinaron valores de PCI de (3.200 y 7.900) kJ kg-1 respectivamente. Estos valores son muy inferiores a los del PCI del carballo, unos 12.900 kg-1. Esto podría significar que la madera de carballo genera mayor rendimiento energético que otras maderas de crecimiento rápido. La razón debe entenderse en base a las humedades de los individuos muestreados de Paulownia (71 %) y de Chopo (48 %) que eran muy jóvenes. No debemos olvidar que estas especies de crecimiento rápido se plantan con vistas al aprovechamiento energético en turnos de corta menores a los 10 años. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 112 En la Tablas 10 y 11 se puede observar la evolución del Poder Calorífico Inferior (PCI) de las muestras estudiadas en los muestreos al (20 , al 15 y al 10) % de humedad. El motivo de elegir estas humedades es que son las que se recogen en la normativa UNE- EN-14961-1 para clasificar las leñas en los grupos M10 (≤10 %), M15 (≤15 %) y M20 (≤20 %), como las humedades más aconsejables para rendimientos energéticos óptimos. Las conclusiones más destacables son que: - Lógicamante se mantiene la relación que en un mismo material a menor humedad mayor será el poder calorífico obtenido, por lo tanto la influencia de la humedad es notable. Teniendo en cuenta que en el caso de la leña almacenada, las fluctuaciones de agua de impregnación de las paredes celulares puede oscilar más de un 15 %, podríamos encontarnos con oscilaciones en los valores del poder calorífico superiores al 30 %, es decir, de más de 3.600 kJ kg-1. Por lo tanto, la creencia popular presentada en el punto “1.3. Bases teóricas de la investigación” de que la leña obtenida en laderas orientadas al Norte es mucho peor que la extraída en pendientes orientadas al Sur, desde un punto de vista estrictamente energético, cuando es empleada como leña, no es debida directamente a la procedencia del material, sino que responde posiblemente a un proceso deficiente de secado y almacenado. - Los descensos en humedad del 5 % provocan incrementos del 7 % en el poder calorífico. Este dato es de interés a la hora de diseñar la logística de almacenamiento y tratamiento previo de la madera antes de su utilización como combustible. Es decir, que el esfuerzo por extraer la humedad a la madera antes de procesarla o usarla como combustible y el de evitar que recupere del ambiente agua de impregnación en las paredes celulares compensa, ya que el incremento energético logrado con este preprocesado sería bastante apreciable. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 113 Muestra PCI (kJ kg-1) muestreo MARZO-ABRIL PCI M10 (≤10 %) PCI M15 (≤15 %) PCI M20 (≤20 %) 1BSS 14.916,13±30,38 (0,20 %) 13.951,79±28,69 (0,21 %) 12.987,45±27,00 (0,21 %) 1BS NO S 14.861,921±75,16 (0,51 %) 13.900,59±70,98 (0,51 %) 12.939,26±66,81 (0,52 %) 1BSNOU 14.676,86±89,84 (0,61 %) 13.725,82±84,85 (0,62 %) 12.774,77±79,86 (0,63 %) 1CSS 14.980,22±78,03 (0,52 %) 14.012,32±73,69 (0,53 %) 13.044,42±69,36 (0,53 %) 1CSNOS 14.666,52±87,41 (0,60 %) 13.716,05±82,56 (0,60 %) 12.765,57±77,70 (0,61 %) 1CS NO U 14.580,66±22,62 (0,16 %) 13.634,96±21,31 (0,16 %) 12.689,25±20,10 (0,16 %) 2BSS 15.162,88±23,29 (0,15 %) 14.184,83±21,99 (0,16 %) 13.206,78±20,70 (0,16 %) 2BS NO S 15.012,14±55,93 (0,37 %) 14.042,47±52,82 (0,38 %) 13.072,79±49,71 (0,38 %) 2BSNOU 14.942,49±64,61 (0,43 %) 13.976,69±61,02 (0,44 %) 13.010,88±57,43 (0,44 %) 2CSS 14.602,17±24,90 (0,17 %) 13.655,27±23,52 (0,17 %) 12.708,37±22,13 (0,17 %) 2CSNOS 14.794,31±14,60 (0,10 %) 13.836,74±13,78 (0,10 %) 12.879,16±12,97 (0,10 %) 2CS NO U 14.888,42±25,00 (0,17 %) 13.925,62±23,61 (0,17 %) 12.962,81±22,22 (0,17 %) 3BSS 14.980,74±81,90 (0,55 %) 14.012,81±77,35 (0,55 %) 13.044,88±72,80 (0,56 %) 3BS NO S 14.408,88±139,75 (0,97 %) 13.472,72±131,99 (0,98 %) 12.536,56±124,22 (0,99 %) 3BSNOU 14.909,34±26,62 (0,18 %) 13.945,38±25,14 (0,18 %) 12.981,41±23,66 (0,18 %) 3CSS 15.056,95±53,48 (0,36 %) 14.084,79±50,51 (0,36 %) 13.112,63±47,54 (0,36 %) 3CSNOS 14.729,39±38,11 (0,26 %) 13.775,42±35,99 (0,26 %) 12.821,46±33,88 (0,26 %) 3CS NO U 14.834,01±158,14 (1,07 %) 13.874,23±149,35 (1,08 %) 12.914,45±140,57 (1,09 %) PCI medio 14.833,56 kJ kg-1 13.111,80 kJ kg-1 12.914,10 kJ kg-1 Tabla 10. Comparación del Poder Calorífico Inferior (PCI) de las muestras estudiadas en el muestreo de Marzo-Abril al 20 %, al 15 % y al 10 % de humedad con el PCS. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 114 Muestra PCI (kJ kg-1) muestreo JUNIO-JULIO PCI M10 (≤10 %) PCI M15 (≤15 %) PCI M20 (≤20 %) 1BSS 14.482,07±64,05 (0,44 %) 13.451,85±60,49 (0,45 %) 12.601,62±56,94 (0,45 %) 1BS NO S 14.193,46±161,32 (1,14 %) 13.269,27±152,36 (1,15 %) 12.345,08±143,40 (1,16 %) 1BSNOU 14.588,80±24,65 (0,17 %) 13.642,64±23,28 (0,17 %) 12.696,49±21,91 (0,17 %) 1CSS 14.540,03±90,25 (0,62 %) 13.596,58±85,23 (0,63 %) 12.653,14±80,22 (0,63 %) 1CSNOS 14.673,20±26,04 (0,18 %) 13.722,35±24,59 (0,18 %) 12.771,51±23,14 (0,18 %) 1CS NO U 14.600,33±1,44 (0,01 %) 13.653,53±1,36 (0,01 %) 12.706,74±1,28 (0,01 %) 2BSS 14.645,66±27,68 (0,19 %) 13.696,35±26,15 (0,19 %) 12.747,03±24,61 (0,19 %) 2BS NO S 13.832,24±118,14 (0,85 %) 12.928,12±111,58 (0,86 %) 12.023,99±105,01 (0,87 %) 2BSNOU 14.118,13±155,84 (1,10 %) 13.198,12±147,18 (1,12 %) 12.278,11±138,53 (1,13 %) 2CSS 14.525,06±110,44 (0,76 %) 13.582,44±104,31 (0,77 %) 12.639,83±98,17 (0,78 %) 2CSNOS 14.325,34±75,98 (0,53 %) 13.393,82±71,76 (0,54 %) 12.462,30±67,54 (0,54 %) 2CS NO U 14.325,69±62,02 (0,43 %) 13.394,15±58,57 (0,44 %) 12.462,61±55,13 (0,44 %) 3BSS 14.788,88±28,43 (0,19 %) 13.822,17±26,85 (0,19 %) 12.865,45±25,27 (0,20 %) 3BS NO S 14.207,22±75,68 (0,53 %) 13.282,26±71,47 (0,54 %) 12.357,31±67,27 (0,54 %) 3BSNOU 14.723,16±43,67 (0,30 %) 13.769,54±41,24 (0,30 %) 12.815,92±38,82 (0,30 %) 3CSS 14.780,10±93,21 (0,63 %) 13.823,31±88,03 (0,64 %) 12.866,53±82,86 (0,64 %) 3CSNOS 13.975,84±29,18 (0,21 %) 13.063,74±27,56 (0,21 %) 12.151,64±25,94 (0,21 %) 3CS NO U 14.490,00±34,50 (0,24 %) 13.549,33±32,58 (0,24 %) 12.608,66±30,66 (0,24 %) PCI medio 13.649,28 kJ kg-1 12.738,16 kJ kg-1 12.558,55 kJ kg-1 Tabla 11. Comparación del Poder Calorífico Inferior (PCI) de las muestras estudiadas en el muestreo de Junio-Julio al 20 %, al 15 % y al 10 % de humedad con el PCS. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 115 En las Figuras 34 y 35 se muestra la evolución del PCI a las 3 humedades básicas y se compara con el PCS, teóricamente con la muestra totalmente seca, es decir, humedad 0 %. Figura 35. Evolución del PCI del muestreo de Marzo-Abril a las 3 humedades básicas y comparación con el PCS. Figura 36. Evolución del PCI del muestreo de Junio-Julio a las 3 humedades básicas y comparación con el PCS. 12000,00 13000,00 14000,00 15000,00 16000,00 17000,00 18000,00 19000,00 1BSS 1BSNOS 1BSNOH 1CSS 1CSNOS 1CSNOH 2BSS 2BSNOS 2BSNOH 2CSS 2CSNOS 2CSNOH 3BSS 3BSNOS 3BSNOH 3CSS 3CSNOS 3CSNOH PCS M10 M15 M20 12000,00 13000,00 14000,00 15000,00 16000,00 17000,00 18000,00 19000,00 1BSS 1BSNOS 1BSNOH 1CSS 1CSNOS 1CSNOH 2BSS 2BSNOS 2BSNOH 2CSS 2CSNOS 2CSNOH 3BSS 3BSNOS 3BSNOH 3CSS 3CSNOS 3CSNOH PCS M10 M15 M20 kJ kg-1 kJ kg-1 Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 116 3.2. Termogramas Muestreo Marzo-Abril Muestra CURVA TG CURVA DTG T ONSET (ºC) ∆m 1 (%) ∆m 2 (%) ∆m 3 (%) ∆m 4 (%) T PICO 1 (ºC) T PICO 2 (ºC) T PICO 3 (ºC) T PICO 4 (ºC) 1BSS 266 24,01 42,47 27,55 - 303 340 512 607 1CSS 272 24,5 46,14 24,33 - 304 344 490 - 2BSS 265 21,07 44,49 29,16 0,31 292 334 504 591 2CSS 285 20,84 43,47 26,1 - 311 349 515 - 3BSS 268 22,09 37,17 33,02 1,22 304 340 485 632 3CSS 269 23,05 41,82 29,65 0,95 305 345 519 598 1BSNOU 280 21,51 42,2 28,2 - 316 350 500 609 2BSNOU 284 19,01 43,9 28,7 - 317 348 542 628 2BSNOU 281 24 40,5 27,6 - 318 347 515 - 3BSNOU 285 17,80 46,1 27,3 - 312 346 526 - 3BSNOU 280 19,0 43,0 29,1 0,64 312 345 523//543 612 Muestreo Junio-Julio Muestra CURVA TG CURVA DTG T ONSET (ºC) ∆m 1 (%) ∆m 2 (%) ∆m 3 (%) ∆m 4 (%) T PICO 1 (ºC) T PICO 2 (ºC) T PICO 3 (ºC) T PICO 4 (ºC) 1BSS 271 24,42 40,48 27,99 - 304 338 489 541 1CSS 268 22,65 44,21 27,25 0,32 305 345 456//490 605 2BSS 271 25,27 42,67 25,03 - 305 340 489 - 2CSS 276 21,00 35,00 34,40 - 310 347 470//528 - 3BSS 266 21,88 35,77 34,00 1,55 298 335 462//531 594 3CSS 271 18,65 35,87 38,35 0,32 304 329 546//563 614 1BSNOU 280 21,35 42,26 27,92 - 315 351 523 612 2BSNOU 283 16,5 42,9 30,31 1,24 316 348 521 637 3BSNOU 279 17,67 44,11 29,56 0,77 313 344 520 621 Tabla 12. Parámetros básicos en el estudio y análisis de los termogramas. A continuación se va a hacer una discusión general de los estudios de tremogravimetría realizados. En la Figura 37 se muestran los valores correspondientes a las temperaturas ONSET de las curvas TG que son un indicativo de la temperatura a la que comienza a degradarse la muestra. Como se puede observar, la degradación térmica de todas las muestras comienza en torno a los 270 ºC salvo para las muestras BSNOU que lo hacen alrededor de 280 ºC, debido o bien al contenido en agua adsorbida (que fue en todos los casos alrededor del 6,7 % en peso), bien a que se han pulverizado más finamente con el fin de obtener una muestra más homogénea o a que la densidad real es mayor para estas últimas, como se ha comentado en el estudio de los poderes caloríficos. Valores significativamente menores, sobre 235 ºC, fueron obtenidos por Gronli et al [7], aunque estos fueron medidos sobre curvas dinámicas registradas a 5 ºC min-1 y las de este Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 117 trabajo se midieron a 10 ºC min-1. Como es bien sabido, a medida que la velocidad de calentamiento aumenta, las curvas obtenidas se desplazan hacia temperaturas mayores. Figura 37. Valores de la temperatura ONSET para los diferentes tipos de muestras estudiadas Si comparamos a través de la Tabla 12 muestras de solana y umbría del mismo diámetro, por ejemplo 1BSS con 1BsNOU o 2BSS con 2BSNOU, veremos que los ONSET o puntos que caracterizan el inicio de la degradación, son siempre un poco más elevados en las muestras de umbría y las pérdidas de masa en los últimos tramos del proceso se acrecientan siendo menores al inicio. La tendencia se mantiene en todas, por lo que se concluye que la madera de umbría tiene una degradación más lenta debido a que presenta mayor porcentaje relativo de madera de verano-invierno y menor porcentaje de vasos grandes, lo que aumenta su capacidad para tomar agua del ambiente una vez se encuentra apilada y a cobijo de las precipitaciones en forma de leña y lo que dificulta la entrada de oxígeno a través del leño por el menor tamaño del poro una vez iniciada la combustión. En la fotografía de la Figura 50 se puede observar lo aquí comentado. En las Figuras 38 y 39, se muestran las comparativas de las curvas TG y DTG obtenidas para muestras cuya diferencia es la edad del árbol (clase diametral). Como ya ha sido indicado por muchos autores, las curvas DTG para biomasa forestal muestran el solapamiento de dos picos, que realmente se manifiesta como un pico con un hombro en el lado de temperaturas menores. Se asume que este hombro corresponde a la descomposición de las hemicelulosas; el pico simple corresponde a la Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 118 descomposición de la celulosa y la porción de curva con degradación más lenta corresponde principalmente a la descomposición de la lignina [8]. En los casos analizados en el presente trabajo de investigación, se observa, de manera general, que el primer pico con el hombro correspondiente, que estaría asociado principalmente a la degradación de las hemicelulosas y de la celulosa (parte también correspondería a la degradación, mucho más lenta, de la lignina), se extiende entre (200 y 450) ºC, mientras que el segundo, que estaría asociado a la degradación de la lignina restante, entre (400 y 600) ºC. Estos intervalos de degradación coinciden con los indicados por otros autores para muestras de biomasa similares. Algunos investigadores indican que las hemicelulosas se descomponen principalmente en un rango de temperaturas de (250 a 300) ºC, seguido por la celulosa en el intervalo (300- 350) ºC y por la lignina en el (300-500) ºC [9]. Otros autores [10] consideran que la degradación térmica de las hemicelulosas se produce en el rango (200-300) ºC, la celulosa en el (250-350) ºC y la lignina en el (200-500) ºC. Figura 38. Curvas TG para muestras de diferente edad de Marzo-Abril. l lll l l l l l l l lllll p ppp p p p p p p p ppppp ª ªªª ª ª ª ª ª ª ª ªªªªª ££££ £ £ £ £ £ £ £ £ £££ n nnn n n n n n n n n nnn n 0 20 40 60 80 100 120 Weight (%) 0200 400 600 800 Temperature (°C) l 1ABRIL-3-10CMIN AIRE.tai ––––––– p 5 ABRIL-4-10CMIN AIRE.tai – – – – ª 9 ABRIL-2-10CMIN AIRE.tai ––––– · £ 17ABRIL-4-10CMIN AIRE.tai ––– – – n 21 ABRIL-2--10CMIN AIRE.tai ––– ––– 1BSS ABRIL-3-10CMIN AIRE. tai 1CSS ABRIL-4-10CMIN AIRE. tai 2BSS ABRIL-2-10CMIN AIRE. tai 3BSS ABRIL-4-10CMIN AIRE. tai 3CSS ABRIL-2-10CMIN AIRE. tai Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 119 Figura 39. Curvas DTG para muestras de diferente edad de Marzo-Abril. La edad, representada en esta tesis por las tres agrupaciones diametrales, Grupo 1 de (5 a 15) cm, Grupo 2 de (15 a 25) cm y Grupo 3 de (25 a 35) cm influye levemente en la diferente degradación de unas muestras y otras, pero tal y como se aprecia en la gráfica de ejemplo donde las curvas 1 Abril y 5 Abril representan a muestras del Grupo 1, la 9 Abril al Grupo 2 y las 17 y 21 de Abril al Grupo 3, conforme aumenta la edad, se dilata la degradación en el tiempo, de tal manera que las leñas más maduras, tardarían un poco más en arder, pero ese poco, tal vez no justifique el empleo de diámetros mayores de 25 cm, lo que en Galicia representa una generalidad. Se podría, tal y como se relata en la propuesta de modelo silvícola de esta Tesis, ir a diámetros mucho menores y a turnos muy competitivos, con una leña de similar comportamiento. La explicación a lo anterior se basa en el aumento de lignina con la edad del árbol y que provoca una degradación más lenta de las muestras más viejas. En las Figuras 40 y 41 se comparan muestras de árboles de edades similares, pero que corresponden a épocas de muestreo diferentes. l l l l l l l l l l l l l l l l ll l llll p p pp p p p p p p p p p p p p p p p p p p p pppp ª ªªª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ªª ª ª ª ª ªª £ £££ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ ££ ££ £ £ £££ n n nn n n n n n n n n n n n n nn n nnn -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 Deriv. Weight (%/°C) 0200 400 600 800 Temperature (°C) l 1ABRIL-3-10CMIN AIRE.tai ––––––– p 5 ABRIL-4-10CMIN AIRE.tai – – – – ª 9 ABRIL-2-10CMIN AIRE.tai ––––– · £ 17ABRIL-4-10CMIN AIRE.tai ––– – – n 21 ABRIL-2--10CMIN AIRE.tai ––– ––– 1BSS ABRIL-3-10CMIN AIRE. tai 1CSS ABRIL-4-10CMIN AIRE. tai 2BSS ABRIL-2-10CMIN AIRE. tai 3BSS ABRIL-4-10CMIN AIRE. tai 3CSS ABRIL-2-10CMIN AIRE. tai Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 126 A la vista de los resultados recogidos en la Tabla anterior, se puede concluir que hay una dependencia clara de la energía de activación con el rango de conversión. Esto puede ser debido a un cambio en el mecanismo de reacción responsable del proceso de degradación al cambiar de rango de conversiones, si es que este implica un cambio en las energías de activación [18]. En la Figura 47 se muestran las curvas de conversión y la DTG para los experimentos realizados a (20 y 50) ºC min-1. Como se puede apreciar, debido a la forma “especial” de la curva DTG, se pueden distinguir tres regiones, que pueden variar ligeramente en función de la velocidad de calentamiento, correspondientes al tramo de caída del primer y segundo picos, el tramo de subida del mismo pico y la caída del tercer pico. Estas tres regiones corresponden a tramos de conversión entre (0 y 40) % el primero, (40 y 70) % el segundo y 70 % en adelante el tercero. Esto podría explicar el porqué de la diferencia entre los valores de las energías en estos tres tramos de conversiones. (a) Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 127 Figura 47. Curvas de conversión y DTG para las velocidades de calentamiento de 20 ºC min-1 (a) y 50 ºC min-1 (b). Si comparamos los valores obtenidos con los calculados por Kissinger, se puede ver que los valores de este último no se parecen en nada a los de Friedman y de FWO. Esto puede ser debido a lo que acabamos de comentar y al hecho de que por el método de Kissinger sólo se tiene en cuenta la temperatura a la que se alcanza la máxima velocidad de degradación (que no se da siempre a la misma conversión) y no la “forma” de la curva. Sin embargo, los valores de ambos métodos de isoconversión se parecen bastante entre sí, sobre todo para alfas mayores de 40 %. Si se tienen en cuenta los valores medios de las energías hasta el 40 % por un lado y desde el 40 % en adelante por el otro, se puede ver que hay una coincidencia de valores para ambos modelos considerando el valor medio de las energías de activación. Haciendo un valor medio general teniendo en cuenta todo el rango de conversiones estudiado, también se obtienen valores de la energía similares. En cualquier caso, están dentro del margen del 10 % considerado por Vyazovkin [18]. (b) Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 128 3.3. Carbono fijo, cenizas y volátiles En la Tabla 13 se presentan los resultados de la determinación del carbono fijo, cenizas y volátiles. En ella se pueden destacar los siguientes resultados: - El porcentaje del carbono fijo medio es menor en las especies más longevas en los dos muestreos. - Por el contrario la presencia de volátiles media es mayor en las especies más longevas en los dos muestreos. Muestra MARZO-ABRIL JUNIO-JULIO Carbono fijo (%) Cenizas (%) Volátiles (%) Carbono fijo (%) Cenizas (%) Volátiles (%) 1BSS 75,93 1,10 17,75 84,33 0,74 14,93 1BSNOS 83,55 0,95 15,50 83,41 1.16 15,43 1BSNOU 83,71 0,60 15,69 82,50 0,52 16,98 1CSS 84,56 0,58 14,86 81,87 0,69 17,45 1CSNOS 83,70 0,97 15,33 82,86 0,44 16,70 1CSNOU 84,69 0,48 14,83 81,71 0,39 17,90 Valores medios 82,69 0,78 15,66 82,78 0,66 16,57 2BSS 80,14 0,38 19,48 83,24 0,41 16,35 2BSNOS 81,35 0,87 17,78 83,27 0,59 16,15 2BSNOU 82,19 0,64 17,17 81,56 0,48 17,97 2CSS 84,74 0,74 14,51 79,78 0,63 19,59 2CSNOS 78,62 0,40 20,98 79,34 0,87 19,80 2CSNOU 82,48 0,56 16,95 81,46 0,53 18,01 Valores medios 81,59 0,60 17,81 81,44 0,59 17,98 3BSS 77,22 1,04 21,75 79,92 0,49 19,59 3BSNOS 80,97 0,71 18,31 79,54 1,54 18,92 3BSNOU 80,62 0,44 18,93 78,85 0,99 20,16 3CSS 82,95 0,51 16,54 77,96 0,90 21,13 3CSNOS 81,92 0,55 17,52 83,24 0,89 15,87 3CSNOU 78,47 0,36 21,17 80,85 1,27 17,88 Valores medios 80,36 0,60 19,04 80,06 1,01 18,93 Tabla 15. Valores de carbono fijo, cenizas y volátiles. En el caso de la Paulownia y el Chopo los valores del carbono fijo son ligeramente inferiores, entre (60 y 65) % respectivamente. El porcentaje de volátiles es muy similar. Estos resultados pueden ser la clave para explicar una estabilidad térmica mayor en el caso del carballo, es decir, permite hacer un combustible más duradero con una producción de cenizas semejante. Si comparamos las tres especies, Figuas 48 y 49, podemos ver como las curvas TG del carballo poseen una pendiente más similar en las dos fases principales y como en éstas se “reparte” por igual el material degradado. En el caso de la Paulownia o el Chopo la primera fase de degradación es más agresiva y consume casi el 70 % del material combustible. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 129 Figura 48. TG de Paulownia (verde), carballo (azul) y Chopo (rojo). Figura 49. DTG de Paulownia (verde), carballo (azul) y Chopo (rojo). llll l l l l l l l l l l ll p ppp p p p p p p p p p pppp ªªªª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ªªª 0 20 40 60 80 100 Weight (%) 50 250 450 650 Temperature (°C) l paulonia1_13enero09.tai ––––––– p 1ABRIL-4-10CMIN AIRE.tai – – – – ª chopoV1_16enero09.tai ––––– · llll l l l l l l l ll l l l l l l l l l l l p ppp p p p p p p p p p p p p p p p p p p pppp ªªªª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ª ªª ª ª ªªª -1.0 -0.5 0.0 Deriv. Weight (%/°C) 50 250 450 650 Temperature (°C) l paulonia1_13enero09.tai ––––––– p 1ABRIL-4-10CMIN AIRE.tai – – – – ª chopoV1_16enero09.tai ––––– · Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 130 3.4. Análisis elemental En la Tabla 14 se recogen los resultados de la analítica elemental realizada en la Unidad de Análisis Elemental de la USC. Lo más destacable de esta Tabla es: - Por un lado la ausencia total de azufre (S) en las muestras analizadas. Este dato es positivo ya que elimina factores potenciales de riesgo como la formación de SOx en los gases con el consiguiente impacto ambiental en el medio o la formación de elementos ácidos, tanto en gases como en cenizas, que puedan dañar las instalaciones (estufas, calderas u hornos) o generar problemas en la gestión de las cenizas. - Los valores en el resto de los elementos no aporta información destacada ya que son similares. Ocurre lo mismo si comparamos los datos de análisis elemental de Paulownia y Chopo (ANEXO I). Muestra MARZO-ABRIL JUNIO-JULIO N (%) C (%) H (%) O (%) S (%) N (%) C (%) H (%) O (%) S (%) 1BSS 0,21 46,98 6,24 46,57 0,00 0,27 45,72 6,77 47,24 0,00 1BSNOS 0,24 46,03 6,58 47,15 0,00 0,22 46,73 6,52 46,53 0,00 1BSNOU 0,29 46,39 6,71 46,61 0,00 0,24 45,36 6,20 48,20 0,00 1CSS 0,39 46,88 6,58 46,15 0,00 0,22 46,43 6,40 46,95 0,00 1CSNOS 0,25 46,34 6,42 46,99 0,00 0,27 45,19 6,16 48,38 0,00 1CSNOU 0,23 45,63 6,57 47,57 0,00 0,21 46,90 6,32 46,57 0,00 2BSS 0,20 47,15 6,33 46,32 0,00 0,22 45,86 6,06 47,86 0,00 2BSNOS 0,25 46,39 6,22 47,14 0,00 0,29 47,01 6,60 46,10 0,00 2BSNOU 0,19 46,52 6,43 46,86 0,00 0,22 47,05 6,34 46,39 0,00 2CSS 0,16 45,41 6,52 47,91 0,00 0,22 46,58 6,60 46,60 0,00 2CSNOS 0,17 45,97 6,43 47,43 0,00 0,28 46,44 6,18 47,10 0,00 2CSNOU 0,27 47,14 6,63 45,96 0,00 0,19 44,90 6,13 48,78 0,00 3BSS 0,21 47,37 6,49 45,93 0,00 0,27 47,17 6,41 46,15 0,00 3BSNOS 0,30 46,05 6,32 47,33 0,00 0,29 46,69 6,25 46,77 0,00 3BSNOU 0,24 47,25 6,74 45,77 0,00 0,26 46,98 6,55 46,21 0,00 3CSS 0,17 47,61 6,28 45,94 0,00 0,23 47,13 6,40 46,24 0,00 3CSNOS 0,18 45,72 6,60 47,50 0,00 0,19 46,12 6,24 47,45 0,00 3CSNOU 0,16 45,98 6,44 47,42 0,00 0,17 46,01 6,35 47,47 0,00 Tabla 16. Datos de la composición elemental. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 131 3.5. Variables estructurales propias En las Tablas 15 y 16 se muestran los resultados del estudio de algunos parámetros dendrométricos concluyendo que son los esperados, a medida que el árbol es más longevo, y por lo tanto presentan un diámetro mayor, las superficies de cada una de las partes son también mayores. Dentro de este razonamiento, la única relación es que a medida que el árbol es más longevo, en los meses de Marzo-Abril predomina el duramen sobre la albura y la corteza, mientras que en Junio-Julio sólo se da este comportamiento en la clase 3, mientras que en las clases 1 y 2 predominan la albura frente a duramen y corteza. Esto es debido en primer lugar a que el duramen aparece en el roble durante segunda década de vida y a que las muestras de Junio-Julio tienen mayor cantidad de vasos grandes y más agua, con lo que el duramen, que fue medido antes de extraer la humedad, tiene mayor presencia que en las muestras de Marzo-Abril. Una vez extraída el agua, la tendencia debería invertirse. Muestra MARZO-ABRIL Duramen (cm2, %) Albura (cm2, %) Corteza (cm2, %) Total (cm2) 1BSS 58,34 (36,12) 55,76 (34,53) 47,41 (29,35) 161,51 1BSNOS 27,81 (28,33) 47,09 (47,97) 23,26 (23,70) 98,16 1BSNOU 27,36 (33,10) 37,05 (44,81) 18,27 (22,10) 82,68 1CSS 12,07 (11,43) 68,71 (65,10) 24,82 (23,50) 105,60 1CSNOS 18,97 (29,25) 30,25 (46,65) 15,63 (24,09) 64,85 1CSNOU 46,96 (45,08) 41,17 (39,53) 16,04 (15,39) 104,17 2BSS 116,24 (36,43) 152,65 (47,85) 50,15 (15,72) 319,03 2BSNOS 71,08 (38,48) 65,36 (35,39) 48,27 (26,13) 184,72 2BSNOU 155,15 (39,59) 155,80 (39,75) 80,97 (20,66) 391,92 2CSS 178,94 (46,42) 145,29 (37,69) 61,29 (15,90) 385,52 2CSNOS 129,53 (37,84) 131,64 (38,46) 81,11 (23,69) 342,28 2CSNOU 96,20 (28,17) 165,66 (48,51) 79,63 (23,32) 341,49 3BSS 370,17 (54,03) 171,22 (24,99) 143,76 (20,98) 685,15 3BSNOS 223,45 (25,57) 465,81 (53,31) 184,45 (21,11) 873,71 3BSNOU 447,42 (57,44) 208,36 (26,75) 123,18 (15,81) 778,96 3CSS 179,85 (30,28) 331,63 (55,83) 82,46 (13,88) 593,94 3CSNOS 336,22 (35,92) 373,86 (39,94) 226,06 (24,15) 936,15 3CSNOU 419,94 (54,06) 231,05 (29,75) 125,75 (16,19) 776,74 58,34 (36,12) 58,34 superficie en cm2 (36,12) Porcentaje de la fracción (duramen, albura o corteza) respecto al total de la superficie de la muestra Tabla 17. Datos de estructura de las diferentes muestras. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 132 Por otro lado, la variabilidad en el duramen se atribuye en un 33,4 % a la edad del árbol, del 19 % al índice de sitio y del 22,85 % al diámetro normal, pero en realidad no hay una tendencia clara, de tal manera que son la genética y la competencia [2], quienes posiblemente determinen la mayor o menor cantidad de duramen y lignina en los diferentes individuos, con lo que en relación a estas variables estructurales, habrá que decir que la mayor presencia de duramen significa mayores poderes caloríficos, pero que su vinculación a la edad y al diámetro no es definitiva. Muestra JUNIO-JULIO Duramen (cm2, %) Albura (cm2, %) Corteza (cm2, %) Total (cm2) 1BSS 14,94 (21,66) 39,68 (57,53) 14,35 (20,81) 68,97 1BSNOS 42,09 (27,97) 77,00 (51,17) 31,39 (20,86) 150,48 1BSNOU 47,58 (35,249 70,54 (52,25) 16,88 (12,51) 135,00 1CSS 22,90 (19,58) 70,55 (60,34) 23,47 (20,08) 116,92 1CSNOS 21,80 (39,49) 22,66 (41,04) 10,75 (19,47) 55,21 1CSNOU 32,72 (20,40) 104,83 (65,36) 22,84 (14,24) 160,39 2BSS 69,26 (25,42) 149,17 (54,76) 53,99 (19,82) 272,42 2BSNOS 23,48 (8,49) 182,14 (65,82) 71,11 (25,69) 276,73 2BSNOU 147,93 (64,39) 55,15 (24,01) 26,65 (11,60) 229,73 2CSS 112,89 (28,77) 239,77 (61,11) 39,69 (10,12) 392,34 2CSNOS 136,97 (53,57) 73,73 (28,84) 45,00 (17,60) 255,71 2CSNOU 184,55 (56,69) 72,34 (22,22) 68,62 (21,08) 325,52 3BSS 715,28 (60,97) 292,81 (24,96) 165,00 (14,07) 1173,09 3BSNOS 51,15 (8,66) 419,60 (71,07) 119,66 (20,27) 590,41 3BSNOU 250,92 (41,72) 190,35 (31,65) 160,23 (26,63) 601,50 3CSS 270,03 (59,13) 119,80 (26,23) 66,84 (14,64) 456,67 3CSNOS 347,97 (34,03) 515,63 (50,42) 158,98 (15,55) 1022,59 3CSNOU 408,76 (53,44) 220,93 (28,89) 135,15 (17,67) 764,85 14,94 (21,66) 14,94 superficie en cm2 (21,66) Porcentaje de la fracción (duramen, albura o corteza) respecto al total de la superficie de la muestra Tabla 18. Datos de estructura de las diferentes muestras. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 133 3.6. Otras propiedades de interés Los resultados de densidad presentados en la Tabla 17 confirman que a medida que el árbol crece las densidades van aumentando, así los árboles de la clase 3 poseen mayor densidad que los árboles de las clases 1 y 2. Muestra MARZO-ABRIL Densidades (kg m -3 ) JUNIO-JULIO Densidades (kg m -3 ) Duramen Albura Corteza Media Duramen Albura Corteza Media 1BSS 705,0 679,8 596,0 771,9 791,8 651,3 616,8 675,3 1BSNOS 772,5 763,5 620,5 731,7 943,9 800,0 746,0 829,0 1BSNOU 767,5 631,5 584,8 666,1 987,5 741,6 664,3 817,6 1CSS 755,7 734,5 652,0 717,0 937,6 726,0 718,8 766,9 1CSNOS 615,5 602,0 595,8 604,4 667,5 636,8 603,0 642,7 1CSNOU 877,7 732,0 693,2 791,7 907,8 743,0 704,8 770,2 Valores medios 749,0 690,6 623,7 713,8 872,7 716,5 675,6 750,3 2BSS 895,6 645,5 603,5 728,8 911,0 693,5 685,5 746,3 2BSNOS 873,5 712,5 689,5 769,3 895,5 743,5 709,3 748,6 2BSNOU 827,0 760,0 646,7 764,1 897,0 870,0 706,5 868,5 2CSS 833,5 713,7 620,7 753,9 806,5 785,8 621,0 775,0 2CSNOS 736,7 659,7 651,7 687,1 836,5 697,5 618,8 759,2 2CSNOU 835,3 829,0 626,0 784,1 981,0 813,4 756,3 896,9 Valores medios 833,6 720,1 639,7 747,9 887,9 767,3 682,9 799,1 3BSS 973,7 846,0 706,5 885,7 1005,0 885,0 779,0 943,4 3BSNOS 891,5 715,3 655,0 748,4 901,8 751,2 638,8 742,3 3BSNOU 913,3 646,0 626,3 796,4 922,6 695,0 629,5 772,5 3CSS 881,0 738,0 618,5 764,2 833,3 701,5 641,0 780,1 3CSNOS 977,5 855,0 740,0 820,2 958,5 708,6 685,0 789,8 3CSNOU 908,8 735,5 691,3 740,2 907,5 860,3 833,8 880,5 Valores medios 924,3 756,0 672,9 792,5 921,5 766,9 701,2 818,1 Tabla 19. Densidades (kg m-3) de las muestras. En la Tabla se recogen las densidades del duramen, albura, corteza y media. La densidad media, y que es la que se debe utilizar como referencia para el estudio, se obtiene utilizando como referencia los datos estructurales de la Tabla 16. Siguiendo con la comparativa con Paulownia y Chopo, las densidades determinadas fueron de unos (850 y 880) kg m-3, muy similares. Este valor, unido al de las humedades de las muestras, es positivo para el planteamiento de utilizar la madera de carballo como leña frente a especies de crecimiento rápido ya que en las operaciones de logística el proceso es más eficiente, o de manera más coloquial, transportar más combustible en el mismo espacio. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 134 Tabla 18. Valores de humedad de las muestras en el momento de la recogida. Tal y como se comentó en el punto “2.1.4.1. Preparación de las muestras”, los valores de humedad en este estudio no dejan de ser orientativos ya que referenciamos los datos energéticos a valores de humedad standard para todas y cada una de las muestras. Como se puede observar todos los valores de humedad aquí presentados son mayores al valor de referencia más alto y correspondiente a una humedad del 20 %. Los valores de humedad de campo son muy importantes en estudios de diseño de índices de riesgo para prevenir y combatir eficazmente los incendios forestales. Muestra MARZO-ABRIL JUNIO-JULIO Humedad (%) Humedad (%) 1BSS 40,74 49,87 1BSNOS 42,36 25,13 1BSNOU 40,16 32,40 1CSS 44,39 27,25 1CSNOS 42,40 46,95 1CSNOU 39,55 31,26 2BSS 39,42 46,02 2BSNOS 44,99 23,12 2BSNOU 43,87 29,23 2CSS 41,40 44,61 2CSNOS 46,22 31,96 2CSNOU 35,29 33,29 3BSS 37,98 48,57 3BSNOS 38,90 44,35 3BSNOU 41,97 47,27 3CSS 41,90 44,09 3CSNOS 20,16 20,12 3CSNOU 42,00 28,75 Tabla 20. Valores de humedad de las muestras en el momento de la recogida. Analizados ya los parámetros de forma individual, vamos a realizar unas reflexiones más globales. Así si nos fijamos en los valores medios, la densidad de la madera aumenta ligeramente con la edad, en torno a un 5 % de una clase diametral a la siguiente, esto es cada 7 años aproximadamente. También lo hace con la época del año en que se toman las muestras, aumentando al recogerse éstas en el período Junio-Julio respecto a Marzo-Abril. Esto se debe a que en Junio-Julio los árboles tienen la copa totalmente formada y si las condiciones hídricas o de temperatura ambiente no son limitantes, la mayor superficie foliar fotosintética y el mayor número de horas de luz en este período del año, provoca que los contenidos de humedad sean más elevados en las muestras de Junio-Julio. No obstante y según esto, lo que realmente aumenta es la densidad aparente gracias al agua, pero disminuiría la densidad real, que es la que interesaría en el momento en que la madera se ha procesado como leña. Capítulo 3. Presentación y discusión de los resultados 135 En cuanto a la exposición fisiográfica a umbría o solana, decir que las muestras recogidas en verano (Junio-Julio) tienen, en general, mayor contenido de agua que las recogidas al final del invierno (Marzo-Abril), y por lo tanto mayor peso específico, tal y como puede comprobarse en la Tabla 17 y en particular en la columna dedicada al duramen, responsable de la mayor aportación a la densidad. Puede verse que salvo en la albura, donde existe alguna excepción, la tendencia es uniforme. En cualquier caso, hablamos en general de diferencias introducidas fundamentalmente por la humedad que contenían las muestras, en torno al 40 % cuando fue medida. Una vez secas, están diferencias ahora entre el (3 y el 18) %, se reducen en torno al 3%. Por el contrario, los poderes caloríficos obtenidos a partir de las muestras tomadas en Marzo-Abril son mayores debido a que sus densidades reales también son mayores y las proporciones relativas de duramen respecto a la albura y entre muestras de primavera y verano, una vez extraída la humedad y perdido por tanto volumen la madera, también. La misma tendencia que se muestra entre las maderas recogidas en Marzo-Abril y las obtenidas en Junio-Julio se aprecia entre la madera de umbría (que sigue el esquema de las primeras) y la de solana (pareja a las segundas). La leña de orientación Sur, tiene mayor porcentaje de madera de grano fino (de primavera), más clara, con fibras huecas de pared delgada y con vasos más grandes; con menor densidad relativa, menor porcentaje de duramen una vez seca y mayor mojada y por todo esto, aportando un poco menos de poder calorífico y una degradación algo peor, con valores poco significativos en ambos casos. La creencia popular de que la madera de exposición Norte no es adecuada para su utilización como combustible, es cierta solamente cuando su contenido en agua de impregnación (agua de la pared celular) es excesivo por un secado deficiente o un mal almacenaje. Su tipología y composición celular, que influyen directamente en el tiempo que tarda en perder agua durante su secado una vez cortada y en los equilibrios higroscópicos que se establecerán precisamente durante su almacenaje, son más propensas a absorber agua del ambiente pues el tamaño de los vasos es mucho menor, tal y como puede apreciarse en la Figura 48. Durante el verano los anillos que se forman tienen una apariencia más oscura y mayor sección, puesto que las horas de luz son más y la copa está totalmente desarrollada. Como puede apreciarse en la siguiente fotografía, el número de vasos es mayor, pero son mucho más pequeños, lo que hace que la cantidad de madera y lignina aumenten, con lo que también aumentará la capacidad de captar y ceder agua cuando la madera se almacene en forma de leña durante el invierno en las maderas de umbría.