Application of agroforestry residues in polymeric composite materials

1 Introducción

Los materiales lignocelulósicos son empleados en la elaboración de materiales compuestos de matriz polimérica, debido a sus características de relleno y de refuerzo de propiedades mecánicas y por sus peculiaridades mediambientales. Expecialmente, al provenir de un recurso natural sostenible, abundante y de carácter local, con bajo impacto ambiental y también de bajo coste. En la actualidad es posible encontrar en el mercado soluciones industriales basadas en cañamo, bamboo, hemp y otras especies vegetales fibrosas pero sobre todo destacan los materiales lignoceprovienen de especies forestales y de subproductos generados en la industria de la transformación de la madera, y que entran en competencia con otros procesos industriales como la fabricación de tableros de madera.

Sin embargo, estos materiales, pueden ser obtenidos también de la valorización de diferentes residuos generados en cultivos agroforestales locales, que además presentan un bajo nivel de aprovechamiento.

En el artículo, se evalúan, para la Euroregión Galicia Norte de Portugal, las diferentes fuentes naturales de estos materiales, y se analiza, la disponibilidad que existe y la tecnología disponible para su recogida.

Se analiza también, las diferentes etapas y procesos de preparación industrial, requeridos para realizar la preparación de las partículas necesarias, para su uso en composites de inyección, de rotomoldeo y extrusión.

Aunque la mayor parte de estos materiales son susceptibles también de ser valorizados energéticamente, sería posible combinar en un mismo proceso industrial la producción combinada de fibras naturales y material para producción de energía. Para ello, en algunos de los tipos de residuos locales, se evalúa la producción integrada de biocombustibles y partículas para composites, como vía de hacer un aprovechamiento integral de estos residuos, y dando un mayor valor a los productos finales en función de sus características y propiedades.

En este trabajo, se han seleccionado cuatro materiales lignocelulósicos de alto potencial en la euroregión Galicia-Norte de Portugal, y que actualmente presentan un bajo nivel de aprovechamiento:

• Restos de poda de viñedo (sarmientos)

• Restos de poda de plantaciones de kiwi

• Matorrales forestales de diferentes especies

2 Metodología

2.1 Evaluación de la disponibilidad de residuos agroforestales en la Euroregión Galicia-Norte de Portugal

Para la evaluación de la disponibilidad de restos de poda de vid, se ha partido de las superficies declaradas como viñedo en el SIGPAC y en el caso de Portugal de la superficie declarada como viñedo en la Carta de Uso e Ocupação do Solo de Portugal Continental para 2015 – (COS2015).

Las superficies de viñedo, se clasificaron en el caso de Galicia, dentro de cada una de las denominaciones de origen existentes, (Monterrei, Ribeira Sacra, Ribeiro, Rías Baixas e Valdeorras). En el caso de Portugal las superficies fueron clasificadas por región NUT3 (Alto Tamega, Alto Minho, Cavado, Douro, Porto, Tamega, Tras os Montes).

Para cada una de estas áreas, se realizó una estimación del porcentaje de superficie que sería susceptible de poder realizar una recogida mecanizada de los residuos.

Galicia	Estimación superficie mecanizable	N. Portugal	Estimación superficie mecanizable
DO MONTERREI	75%	Alto Tamega	70%
DO RIBEIRA SACRA	0%	Alto_Minho	70%
DO RIBEIRO	75%	Cavado	70%
DO RÍAS BAIXAS	80%	Douro	50%
DO VALDEORRAS	80%	Oporto	70%
		Tamega	70%
		Tras os Montes	50%

Figura 1. Estimación de % de superficie mecanizable.

La superficie de plantaciones de kiwi de Galicia, y para cada una de las provincias, fue obtenida de datos de la Consellería de Medio Rural. Los datos de superficie para Norte de Portugal fue obtenido de la Estadísticas Agrícolas 2017 - Instituto Nacional de Estadística de Portugal.

En el caso de la superficie de matorrales bajo superficie arbolada de menos del 10% de FCC (Fracción de cabida cubierta), los datos para Galicia fueron obtenidos del IV Inventario Forestal Nacional para las provincias de A Coruña, Lugo, Ourense y Pontevedra.

A continuación se recoge la metodología utilizada.

La superficie de matorrales del Norte de Portugal, fue obtenida de Carta de Uso e Ocupação do Solo de Portugal Continental para 2015 – (COS2015). Al no existir una clasificación por tipología de matorral, se extrapolaron los datos de Galicia por tipología.

2.2 Tecnología disponible para la recogida de los residuos

Actualmente existe una clara diferencia entre la recogida de los residuos de poda agrícola y la recogida de matorrales forestales.

Por un lado, la superficie agrícola presenta generalmente menores problemas de pendiente, irregularidades y pedregosidad en el terreno, que las áreas forestales. Por otro lado, la recogida de las podas agrícolas se basa en depositar las ramas ya cortadas en las calles, en cambio en los matorrales el equipo tiene que realizar también el corte de la planta en pie.

Es por estas diferencias, por lo que los equipos y tecnologías disponibles para estos residuos son muy diferentes.

En el caso de las podas agrícolas, los equipos remolcados o automotrices, disponen de un rotor con dientes fijos que trabaja en dirección contraria a la del vehiculo, y que realiza la recogida del material del suelo. La separación entre los dientes, evita la recogida de piedras y otros contaminantes.

Posteriormente el material se transfiere a una unidad de trituración o de compactación, situada en el mismo vehículo. En el caso de los equipos de trituración, suele utilizarse un rotor de martillos fijos, o semimóviles, con alta velocidad de rotación.

Figura 2. Diferentes tecnologías y/o configuraciones de equipos de recogida de biomasa de podas agrícolas.

En el caso de la recogida de matorrales, la tecnología no está tan madura como en el caso de los residuos agrícolas. En los proyectos se ha utilizado un prototipo de recogida integral, propiedad de XERA, que consta de un vehículo automotriz 8x8, un cabezal cosechador para matorral, y un contenedor de carga de 24 m³.

El prototipo automotriz, con 300 HP de potencia, dispone de un sistema hidráulico de transmisión y de potencia, que permite regular las condiciones de trabajo del cabezal de trituración.

El cabezal de cosechado para matorrales, está basado en un triturador de martillos que dispone de un sistema de recogida y transporte del material triturado al contenedor.

Figura 3. Prototipo Retrabio recogiendo matorral de tojo.

2.3 Proceso de preparación de partículas

El material recogido en campo, normalmente presenta una humedad entorno al 40-50% en base húmeda, por lo que es necesario reducir su contenido valores más bajos, entre 8-10%.

A continuación se recogen los procesos necesarios para la producción de materia prima para fabricación de biocombustibles sólidos densificados (pélets o briquetas) y también para la producción de fibras o partículas para composites.

Proceso	Fabricación biocombustibles densificados	Fabricación partículas composites
Secado	X	X
Refinado/Molido	X	X
Clasificación granulométrica	X	X

Figura 4. Procesos de fabricación necesarios.

Como se comprueba, los procesos de fabricación son muy similares, aunque existan algunas diferencias en los equipos empleados.

Se realizó un proceso genérico de fabricación de biocombustibles densificados, y se evaluó el contenido de partículas de menor tamaño disponibles que podrían ser susceptibles de utilizar en los composites madera plástico. Además, se evaluó el contenido de cenizas de cada una de las fracciones granulométricas, para evaluar si la retirada de estas fracciones de menor dimensión podrían mejorar la calidad del biocombustible al tener el producto final un menor contenido de cenizas.

3 Resultados

3.1 Evaluación de la disponibilidad de residuos agroforestales en la Euroregión Galicia-Norte de Portugal

Para evaluar la disponibilidad de residuos de poda de vid y kiwi, se realizaron parcelas de cuantificación en varias explotaciones. Los resultados medios, en vid, fueron una producción media anual de 3 t/ha con un rendimiento de la recogida mecanizada del 65%, lo que hace que sea posible recoger anualmente 1,95 toneladas de material verde por hectárea.

En el caso de kiwi, se tuvo una producción media de 4,6 t/ha y año, con un rendimiento de recogida mecanizada del 75% en peso. De esta forma, en kiwi sería posible recoger anualmente 3,5 toneladas verdes de material, por hectárea y año.

Además, en el caso de la vid y del matorral, se ha estimado además que en un 30% de la superficie aprovechable, no será posible mecanizar la recogida, bien por aspectos como tamaño de parcela, altura libre de la parcela, anchura de trabajo, disponibilidad del propietario, y otras limitaciones.

ÁREA	Viñedo (ha)	Viñedo aprovechable (ha)	Biomasa Vid (tverdes/año)
DO MONTERREI	1.720	903	1.761
DO R. SACRA	2.627	0	0
DO RIBEIRO	2.675	1.404	2.739
DO RÍAS BAIXAS	8.242	4.616	9.001
DO VALDEORRAS	1.941	1.087	2.120
Alto Tamega	5.106	1.787	3.485
Alto_Minho	3.385	1.185	2.311
Cavado	1.425	499	973
Douro	59.720	20.902	40.759
Oporto	846	296	577
Tamega	7.134	2.497	4.869
Tras os Montes	9.527	3.334	6.502
TOTAL	104.349	38.511	75.096

Figura 5. Evaluación podas de vid, resultados.

En Galicia se estima que estarían disponibles anualmente, unas 15.000 toneladas verdes de poda de vid, y unas 2.500 toneladas verdes de kiwi.

En el Norte de Portugal, estarían disponibles anualmente, unas 59.000 toneladas verdes de poda de vid, y unas 6.500 toneladas verdes de kiwi.

En el conjunto de la Euroregión, estarían disponibles anualmente, unas 75.000 toneladas verdes de poda de vid, y unas 9.000 toneladas verdes de kiwi.

Región	Area_Kiwi (ha)	Biomasa kiwi (tverdes/año)
A Coruña	233	835
Lugo	73	261
Ourense	0	0
Pontevedra	394	1.410
N. Portugal	1.841	6.592
TOTAL	2.541	9.098

Figura 6. Evaluación podas de kiwi, resultados.

Figura 7. Superficie de viñedo en Galicia Norte de Portugal.

En el caso de Galicia, existen más de 500.000 ha de matorrales en terreno sin arbolado o con menos de un 10% de fracción de cabida cubierta de arbolado.

Las masas con tojo, suponen el 61% da superficie total, destacando su superficie en las provincias de Ourense y Lugo. Las masas de brezos y ericas, representan el 25% de la superficie de matorral, y se encuentran localizadas principalmente en las provincias de Lugo y Ourense. Las masas de retamas y afines, suponen el 13% de la superficie de matorral, y en este caso la superficie se concentra en la provincia de Ourense.

Descripción	Provincia				GALICIA
	15	27	32	36
Brezo, ericas y afines	8.329	63.062	62.171	622	134.184
Jarales y Cistáceas	0	120	7.017	0	7.137
Retamas	142	3.928	65.377	818	70.264
Tojo	57.646	94.718	114.299	63.389	330.052
TOTALES	66.117	161.827	248.864	64.828	541.636

Figura 8. Distribución de las superficies de matorral, por provincia y tipología.

Figura 9. Distribución de la superficie de matorral por tipología.

Como no todas las superficies pueden ser mecanizadas por su pendiente, se realizó una clasificación del terreno por su pendiente media, utilizando el mapa digital del terreno con cuadrícula de 10x10 metros (MDT10).

La superficie se clasificó en 3 rangos:

0-20%: Fácilmente mecanizable

20-35%: Mecanizable

>35%: No mecanizable

Figura 10. Superficie de matorral, clasificada por rango de pendiente.

El 43% de la superficie de matorral de Galicia, tiene una pendiente media menor del 20%, ocupando una superficie total de 227.895ha. De esta superficie, la mayor parte, el 71% es de masas de tojo. La provincia con mayor superficie es Ourense con un 46%, seguido Lugo con un 24% da superficie.

La superficie con una pendiente media entre el 20-35%, asciende a 140.515 ha, localizadas en su mayor parte en Ourense (46%) y Lugo (28%). Las masas de tojo son las más abundantes con un 63% de la superficie, seguido de las masas de brezos con el 24%.

La superficie no mecanizable, con una pendiente media superior al 35%, representa 159.825 ha. Siendo Lugo la provincia que presenta una mayor cantidad de superficie con el 41% del total. En este caso el 41% de la superficie nomecanizable está ocupada por masas de Brezo, esto indica que prácticamente la mitad de la superficie con esta especie no es accesible.

	Tojo	Brezos	Retama	Total	%
0-20% Facilmentemecanizable	162.753	34.780	30.362	227.895	43%
20-35% Mecanizable	88.737	33.117	18.661	140.515	27%
>35% No mecanizable	74.197	65.065	20.563	159.825	30%

Figura 11. Superficie de matorral por rango de pendiente y tipo.

En el caso de la región norte de Portugal, existen unas 470.000 ha de matorrales, localizadas principalmente en la Región de Tras os Montes (47%) y Douro (24%).

De esta superficie, unas 300.00 ha tienen una pendiente menor del 20% y unas 80.000 ha entre el 20-35%.

En la región Galicia – Norte de Portugal, tendríamos sobre 529.000 ha de matorral en áreas con pendiente menor del 20% y unas 221.000 ha en zonas con pendiente entre el 20-35%.

Las pruebas de recogida realizadas indican que sería posible recoger mecanizádamente y de media, unas 25 toneladas verdes por ha.

De esta forma se estima que las existencias de biomasa de matorral, en terrenos con baja pendiente (<20%), estaría entorno a los 13 M toneladas de biomasa en estado verde.

Estimando un período de retorno de 10 años, y considerando que en un 30% de ese territorio existen otros impedimentos que no harían posible el aprovechamiento de esta biomasa, estaríamos hablando de una posibilidad de aprovechamiento anual de unas 900.000 toneladas, contemplando únicamente los terrenos con menor pendiente.

3.2 Proceso de preparación de las partículas. Sinergias con la producción de biocombustibles sólidos

Se realizaron pruebas de fabricación de partículas y materia prima para producción de biocombustibles sólidos, con biomasa de poda de vid y kiwi, y matorral de tojo (ulex sp.).

La densidad del material recogido y triturado del matorral y del kiwi, fue menor que en el caso del kiwi, lo que favoreció el secado natural de este material con cubierta e geotextil transpirable. Sin embargo, en el caso del material del kiwi se produjeron procesos térmicos de degradación, por lo que industrialmente sería necesario realizar un secado artificial lo antes posible.

Figura 12. Secado natural de tojo con cobertura de geotextil.

El material después, de secarse hasta un 8-10% fue triturado en un molino de martillos, con una criba de 6 mm. Todos los materiales se trituraron sin complicaciones.

Posteriormente, el material fue segregado granulométricamente con una criba oscilante, utilizando las siguientes clases granulométricas, <0,25mm, 0,25-0,50mm, 0,50-1,00mm y > 1mm, y evaluado el porcentaje en peso del material producido de cada clase.

Para los tres materiales y por cada tipo de fracción, se analizó el contenido de cenizas, según la norma UNE-EN ISO 18122:2016 “Biocombustibles sólidos. Método para la determinación del contenido en cenizas”.

Figura 13. Resultados clasificación granulométrica y contenido de cenizas.

Para la fabricación de biocombustibles sólidos densificados, el contenido de cenizas es un parámetro de calidad fundamental, que debe encontrarse dentro de los parámetros definidos por tipo de biocombustible y clase de calidad.

Como se comprueba en la tabla anterior, las fracciones de menor tamaño presentan un mayor contenido de cenizas. Según se va incrementado la granulometría, el contenido de cenizas del material es menor, y especialmente en el caso de la poda de kiwi y del matorral de tojo.

En el caso de la poda de kiwi y del tojo, es posible producir un biocombustible con un contenido de cenizas por debajo del 1%, con la fracción granulométrica de > 1 mm, y que representa en peso entre un 81% y 75%, respectivamente.

Con el proceso de clasificación granulométrica y segregación de fracciones, es posible por un lado producir biocombustibles sólidos densificados de mayor calidad y por otro, generar partículas de madera de menor dimensión susceptibles de ser utilizadas para la fabricación y refuerzo de compuestos poliméricos.

4 Conclusiones

En la euroregión Galicia – Norte de Portugal, existen una serie de residuos agroforestales con gran potencial desde el punto de vista cuantitativo, que actualmente tienen un bajo grado de aprovechamiento, como son los restos de poda de kiwi y vid, y los matorrales forestales.

Se ha evaluado la cantidad disponible anualmente para cada uno de estos materiales en la euroregión y se ha analizado las superficies por grado de pendiente, con el fin de obtener la posibilidad de aprovechamiento en cada región.

Se ha realizado la recogida de estos residuos en campo de forma mecanizada y se han realizado las labores de preparación de esta biomasa, tanto para la producción de biocombustibles sólidos como para la elaboración de partículas de madera para refuerzo de composiciones poliméricas para inyección, rotomoldeo y extrusión.

Se ha analizado también, las características de los materiales obtenidos tras los tratamientos, y se evaluado como realizar una integración de los dos productos en un único proceso industrial, con el fin de conseguir maximizar por un lado la calidad de cada uno de los productos a obtener, y por el otro optimizar el coste económico de obtención de los dos productos, biocombustible para energía y partículas para composites madera-plástico.

Agradecimientos

Los trabajos realizados para la elaboración de este artículo, se encuentran dentro del ámbito de los proyectos Valornature y Biomasa-AP.

Ambos proyectos, están cofinanciados por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) a través del Programa Interreg V-A España-Portugal (POCTEP) 2014-2020, dentro del Eje 1 "Crecimiento inteligente a través de una cooperación transfronteriza para el impulso de la innovación”.

Referencias

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