5 años garantía transmisión CMATIC MB 900*96 10-16/6

Bioenergía

Biomasa de Cynara cardunculus L. en sistemas productivos agrarios andaluces para fines energéticos

En este estudio se realizaron diversos ensayos para determinar el potencial productivo de biomasa de cardo (Cynara cardunculus L.) en relación a distintas condiciones edafoclimáticas de varios sistemas productivos agrarios andaluces. Así mismo, se pretendió conocer el adecuado manejo del cultivo, las principales problemáticas agronómicas a las que se puede enfrentar un agricultor en la obtención de biomasa, y, en consecuencia, analizar las posibilidades de implantación de esta especie para aprovechamiento energético en Andalucía.

F. Fernández-Tirado, J.A. Jiménez-Bocanegra, F. Perea-Torres, V.H. Durán-Zuazo.
IFAPA Centro Las Torres-Tomejil. Alcalá del Río, Sevilla.

La utilización de energías renovables, y en particular la biomasa, ha venido siendo en los últimos años una actividad de importancia vital en la lucha contra el cambio climático (Gustavsson y col. 2007). Dentro de las posibles fuentes de obtención de biomasa, los cultivos energéticos se presentan como una alternativa novedosa potencialmente sostenible y de gran interés para aquellos países que, como España, presentan una dependencia energética elevada de terceros países.

foto 1 (FILEminimizer)

Foto 1. Plantas de cardo (Cynara cardunculus L.).

La búsqueda y el impulso de nuevas fuentes energéticas sostenibles que reemplacen los combustibles fósiles constituyen hoy en día temas de interés general para los gobiernos, tanto a nivel regional o nacional, como internacional, siendo cada vez más comunes las colaboraciones internacionales que permitan avanzar en el conocimiento de nuevas alternativas energéticas (Kautto y Peck, 2012).

En cuanto a las nuevas posibles alternativas sostenibles de biomasa para uso térmico o eléctrico, con incertidumbre en cuanto a su adaptabilidad agronómica, viabilidad económica y sostenibilidad en Andalucía, destacan los cultivos energéticos. A nivel regional, es imprescindible la puesta en marcha de nuevas experiencias en el campo de la I+D+i que posibiliten superar las barreras tecnológicas y permitan identificar cultivos potenciales para aprovechamiento energético.

En Andalucía existe un potencial elevado de biomasa, relacionado, en gran medida, con el aprovechamiento energético para uso térmico que tradicionalmente se ha venido realizando de los residuos del olivar y su agroindustria (orujillo, hueso de aceituna, restos de poda, etc.) y el aprovechamiento, menos tradicional, del alperujo y el orujillo para uso eléctrico, que hacen que Andalucía lidere el sector de la generación eléctrica con biomasa sólida en el ámbito nacional (AAE, 2013). Sin embargo, el conocimiento sobre nuevas fuentes energéticas sostenibles de biomasa, como el cultivo de agroenergéticos, es aún bastante escaso.

Figura 1

Figura 1. Datos climáticos de la estación meteorológica de Granada (A), Moclín (B), Palma del Río (C) y El Carpio (D) durante el periodo de estudio.

Mientras que los cultivos leñosos de rotación corta, como el chopo (Populus ssp) o el sauce (Salix ssp), tienen un gran potencial para uso energético en algunas regiones del norte de Europa, sus posibilidades en Andalucía se reducen debido a condiciones edafoclimáticas y agronómicas. Además, aunque existen cultivos a nivel andaluz como el eucalipto (Eucalyptus sp) y el chopo para la industria de celulosa y de madera, no se cuenta aún con la suficiente experiencia en turnos de corta rotación para usos energéticos (AAE, 2013).

Por el contrario los cultivos herbáceos como el cardo (Cynara cardunculus), a priori, desde el punto de vista de la sostenibilidad de los cultivos, presenta importantes ventajas, como un buen comportamiento agronómico en tierras marginales andaluzas que puede favorecer un desarrollo de zonas rurales, altos niveles de productividad ligados a bajos costes productivos y la no competencia con el destino alimentario (AAE, 2013).

Al ser autóctona de la región mediterránea, posee una buena adaptabilidad a la gran mayoría de las tierras de secano, resistiendo, gracias a su sistema radicular profundo, veranos secos y calurosos y pluviometrías del orden de los 450 a 550 mm, y con un alto potencial como cultivo energético (Fernández, 2006; Ierna y Mauromicale, 2010) (foto 1).

Además, según estudios realizados el cardo es actualmente la especie herbácea productora de biomasa más prometedora para uso energético, cuyo ciclo natural varía entre seis y quince años, estimándose su vida media en ocho años (CAP, 2008). Esta especie permite realizar recolecciones anuales de biomasa y presenta potencialidades de aprovechamiento energético fundamentalmente eléctrico o térmico, mediante la quema o gasificación de su biomasa, o de obtención de biodiésel mediante la extracción del aceite de sus semillas (Curt y col. 2002; Angelini y col., 2009). Sus escasas exigencias, ciclo de desarrollo, características y propiedades lo convierten en una de las materias primas más interesantes para la obtención de biomasa en Andalucía (CAP, 2009a).

 

Material y métodos

Localizaciones de los ensayos y características

Para evaluar el comportamiento de la producción de biomasa de cardo en función de las condiciones climáticas y edáficas se utilizaron datos primarios de producción de Cynara cardunculus L. de ensayos de esta especie llevados a cabo en cuatro localizaciones en Andalucía, con diferentes condiciones climáticas y edáficas dentro del clima mediterráneo.

La superficie de ensayo de cardo acogida a este trabajo fue de 13,6 hectáreas, dividida en cuatro fincas, en cuatro localizaciones distintas, incluyendo ensayos con áreas que van desde 0,08 hasta 10 ha. En el cuadro I se relacionan las fincas donde se ubicaron las parcelas experimentales, localización, año de implantación y superficie.

 

Cuadro I. Parcelas experimentales empleadas en el estudio.

Finca Localidad Coordenadas geográficas Provincia Año de implantación

Superficie

(ha)

Camino de Purchil Granada 37º10´16´´N 3º38´10´´O Granada 2007 2,0
La Redonda El Carpio 37º54´14´´N 4º28´40´´O Córdoba 2009 10
Somonte Palma del Río 37º37´31´´N 5º20´52´´O Córdoba 2005 1,5
Cortijo de Enmedio Moclín 37º18´00´´N 3º45´59´´O Granada 2005 0,08

Al tratarse de una especie plurianual, los tratamientos de presiembra y siembra solo se realizaron en la campaña de implantación. De esta forma en los diferentes ensayos de este trabajo, que se llevaron a cabo en las campañas, 2009/10, 2010/11 y 2011/12, solo se realizaron labores de recolección, en las que se incluye el empacado del cultivo. En ocasiones excepcionales, también fueron necesarias labores de mantenimiento del cultivo durante la fase de crecimiento, en la que se realizaron tareas como el aclareo o aplicación de tratamientos fitosanitarios.

foto 2 (FILEminimizer)

Foto 2. Parcelas de cardo (Cynara cardunculus L.) en experimentación.

La foto 2 ilustra una de las parcelas de los ensayos en la provincia de Granada, localizándose las fincas en depresiones postorogénicas del Cuaternario (Camino de Purchil y Cortijo de Enmedio), y en Córdoba del Plioceno Cuaternario (Somonte) y del Mioceno Superior-Plioceno (La Redonda).

En la figura 1 se presentan los datos climáticos tomados de la Red de Información Agroclimática de Andalucía, procedentes de las estaciones climatológicas más cercanas a los ensayos.

Las propiedades físico-químicas de los suelos empleados en el presente estudio se detallan en el cuadro II en cada una de las localidades. Dichos valores fueron obtenidos de Seisnet (2014) tomando valores medios.

 

Cuadro II. Características generales de los suelos empleados en el estudio.

Finca

M.O.

(%)

pH

(H2O)

Arcilla

Limo

(%)

Arena

C.C.

(g/100g)

D.A.

(g/cm3)

Camino de Purchil 1,05 7,4 28,88 19,53 49,51 20,62 1,05
La Redonda 0,79 7,2 33,73 17,12 47,12 12,08 1,53
Somonte 1,03 7,4 30,26 20,94 47,07 24,58 1,45
Cortijo de Enmedio 1,05 7,4 28,88 19,53 49,51 20,62 1,05

M.O., materia orgánica; C.C., capacidad de campo; D.A., densidad aparente

La variabilidad de los registros de producción de biomasa fundamentalmente se deberá al mayor o menor grado de desarrollo del cultivo en cada una de las localidades y a las dispares condiciones climatológicas de los entornos de cada una de ellas. Para ello, antes de examinar el efecto de los factores climáticos en la productividad del cardo, la normalidad de las variables fue analizada (prueba de Shapiro-Wilk). Las producciones totales se relacionaron mediante un modelo de regresión múltiple usando Statgraphics versión 16.1 El modelo fue optimizado mediante transformación de Box-Cox.

 

Resultados y discusión

Producciones de biomasa

En la figura 2 se muestran las producciones de cardo de las parcelas, que fueron segadas en las campañas agrícolas 2009/10, 2010/11 y 2011/12. En las tres campañas de estudio existieron limitaciones climáticas, siendo en las campañas 2009/10 y 2010/11 el exceso de precipitaciones, y en la campaña 2011/12 la sequía (figura 1). Los mejores rendimientos en la mayoría de las fincas se obtuvieron en la campaña 2010/11, con precipitaciones intermedias entre las otras dos. Así, se observa como la recogida en 2011 fue superior a 2010 y 2012 en todas las parcelas de las que se disponen datos, sea cual sea el año de implantación del cultivo, a excepción de la parcela de ensayo de Camino de Purchil.

Figura 2 (FILEminimizer)

Figura 2. Producción de biomasa de cardo en las distintas localidades durante las campañas de estudio.

En el ensayo de Camino de Purchil (Granada) la producción fue la más elevada en todos los ensayos realizados en las dos campañas agrícolas 2009/10 y 2010/11, con rendimientos de 28.764 y 25.370 kg ha-1 m.s., respectivamente. Sin embargo, durante la campaña 2012, en la que las precipitaciones además de escasas fueron muy tardías (se iniciaron a final de octubre), el cultivo no fue capaz de competir con las hierbas adventicias, por lo que no se obtuvo producción alguna.

La implantación del cultivo de cardo en la finca de La Redonda se realizó en la campaña 2009/10. Las producciones de Cynara cardunculus L. suelen ser escasas en el año de implantación. Así, en la finca de La Redonda no se alcanzó un desarrollo suficiente para tener interés agronómico, por lo que no se realizó la cosecha en este año. Las condiciones climáticas en 2011 favorecieron un rendimiento alto de producción en esta finca, que alcanzó en ese año los 21.660 kg ha-1. En 2012, se redujo un 46% la producción de biomasa (11.638 kg ha-1) con respecto al año anterior, debido a la sequía.

En la finca Somonte se obtuvieron rendimientos para las campañas 2010 y 2011 de 19.380 y 22.222 kg ha-1, respectivamente. En el año 2012, aunque el rebrote fue homogéneo y se observó vigor en su desarrollo, no se pudo estimar la producción debido a la ocupación de esta finca por jornaleros de la zona.

En el ensayo de Cortijo de Enmedio, en 2010, se obtuvo una producción de 11.200 kg ha-1, algo baja debido a las altas precipitaciones. La producción aumentó muy significativamente en 2011, con una producción de 20.882 kg ha-1 y volvió a disminuir en 2012 por la sequía con una producción de 15.094 kg ha-1.

Una de las principales problemáticas encontradas en los ensayos de cardo en las distintas parcelas fue el control de Cassida deflorata, que provocó defoliaciones masivas, surgiendo la necesidad de aplicar tratamientos fitosanitarios (foto 3).

foto 3

Foto 3. Plantas de cardo afectadas por ataque de Cassida deflorata.

En ocasiones, el ataque de esta plaga puede llegar a ser tan intenso que en algunos ensayos fue necesaria la aplicación de tratamientos adicionales durante una misma campaña, lo que puede incrementar los costes de producción de forma significativa. Por otra parte, en ocasiones, el tratamiento es imposible por cuestiones técnicas como inaccesibilidad del terreno por las lluvias o por el propio desarrollo del cultivo.

Las plagas que afectan al cardo son similares a las que afectan a la alcachofa, pudiendo llegar a abundar caracoles y babosas, especialmente en los lugares húmedos. Además, el topillo (Microtus duodecimcostatus) tiene especial avidez por las raíces del cardo, dado su alto contenido en azúcar, llegando a constituir, de igual forma, una seria amenaza.

Cabe destacar también que las hierbas adventicias supusieron un problema importante para el cardo en la finca La Redonda, ya que todavía existe una ausencia de herbicidas registrados de postemergencia.

En terrenos con un alto banco de semillas la competencia con las malas hierbas fue muy acusada afectando de forma significativa a la producción de biomasa. En este sentido, cuando el cultivo no se implanta bien, por escasez de precipitaciones, y existe poca emergencia en las primeras etapas de desarrollo del cultivo, éste carece de capacidad suficiente para competir con las hierbas adventicias.

La etapa de implantación del cultivo es crucial, ya que va a marcar, en gran medida, el interés futuro de la plantación. Si la implantación del cultivo es buena la competencia con las hierbas en las sucesivas campañas es mínima. Si, en cambio, la implantación es mala, se puede producir menor emergencia de los rebrotes o falta de vigor en los sucesivos años, con menor capacidad, de nuevo, de competir con las malas hierbas. Por lo tanto, la implantación del cultivo se hace primordial para asegurar las producciones y evitar gastos de mantenimiento. En cuanto a la fase de implantación, también es importante señalar que el cardo no resiste las heladas durante sus primeros estadios de desarrollo (CAP, 2008), y es muy sensible al encharcamiento.

Finalmente, al realizar el cosechado mecanizado una gran parte de la biomasa procedente de las hojas de Cynara cardunculus L. pueden quedarse en la parcela al segar y empacar, si se realiza la siega en el periodo estival, con el cardo totalmente seco. Por lo tanto, es conveniente segar y empacar cuando el material vegetal no haya perdido totalmente la humedad y el peciolo de las hojas aún esté adherido con cierta turgencia al tallo (foto 4).

Los resultados del análisis estadístico realizado muestran una relación significativa entre la producción de biomasa (PB) y las variables climáticas: precipitación anual (PA) y evapotranspiración potencial (ET0), que viene descrita por la ecuación PB(BC) = -5945,52 + 7,54789* PA + 7,62878* ET0 (R2= 70,82; p-valor= 0,0248).

Biomasa para uso energético, eléctrico o térmico

En Andalucía existe la necesidad de introducir nuevas fuentes de biomasa en plantas de generación eléctrica, tanto existentes como de nueva construcción, siendo el cardo una de las especies con más potencial (AAE, 2013). En la actualidad hay dieciocho centrales de biomasa eléctrica y cogeneraciones con biomasa en la comunidad autónoma con una potencia total instalada de 257,48 MW y dieciséis plantas de biogás de 26,27 MW de potencia.

Pero a pesar del elevado uso de biomasa en esta región, solamente el 13% de las fuentes de biomasa utilizadas para la producción de energía eléctrica proceden de cultivos energéticos, siendo únicamente tres las plantas de biomasa que utilizan biomasa procedente de cultivos energéticos como materia prima de acuerdo con la AAE (2013).

Una de las limitaciones más importantes que presenta el cardo es que no puede ser quemado sólo en centrales eléctricas a temperaturas de vapor superiores a 420ºC (Biocard, 2009), es decir, que necesita ser mezclado con otras fuentes de biomasa. Sin embargo, en relación a este uso, existen experiencias satisfactorias de quema de biomasa de cardo en combinación con carbón para la producción de energía en la central termoeléctrica de Los Barrios (Cádiz) (CAP, 2008).

foto 4

Foto 4. Recolección de la biomasa de Cynara cardunculus L. en parcelas en la provincia de Granada.

Otros posibles destinos para la utilización del cardo son las instalaciones de biomasa térmica. Son importantes en Andalucía los proyectos de biomasa térmica llevados a cabo en piscinas, sector hotelero, colegios, residencias, etc. Aunque el combustible utilizado en la mayor parte de las calderas y generadores de aire es hueso de aceituna, el consumo de pellets va aumentando en el sector residencial a medida que se construyen nuevas plantas de fabricación de los mismos y mejora su distribución (AAE, 2013).

En este sentido, según la Asociación Española de Valorización Energética de la Biomasa (Avebiom), en España se pasaron de consumir 100.000 t de pellet en 2010 a  380.000 t en 2013. Y las previsiones publicadas por diferentes organismos hablan de un consumo que, en menos de seis años, en el horizonte del 2020, superará ampliamente 1.100.000 t de pellets.

Por otra parte, una de las principales limitaciones del cardo es debido a la presencia de niveles de cloruros (1,08 %) y valores de índice álcali (0,14 kg kcal-1) elevados (CAP, 2009b). Los análisis de Poder Calorífico Inferior (PCI) en base seca de las muestras analizadas ofrecieron datos en un rango de 3.061- 4.188 kcal kg-1. Pero, a pesar del bajo PCI, el balance energético neto de la producción de pellets a partir de cardo resulta muy positivo, pues la energía necesaria en las fases de cultivo, transporte y transformación es baja. A nivel industrial, existen experiencias satisfactorias de producción de pellets en combinación con restos de poda de olivo en la empresa Energía Oriental, de Tiena (Granada) (CAP, 2008; CAP, 2009b).

Conclusión

Las producciones de cardo no mantienen una tendencia productiva constante en las diferentes localizaciones de estudio en Andalucía, sino que oscilan según las condiciones climáticas, fecha de recogida, maquinaria utilizada, etc. Sin embargo, las características y propiedades del cardo, su ciclo de desarrollo y sus escasas exigencias e inputs necesarios hacen que posea un gran potencial productivo para la obtención de biomasa para la producción de energía eléctrica.

Se han detectado ciertas limitaciones en su desarrollo en los siguientes casos: suelos con poca profundidad; con escaso poder de drenaje (en años con altas precipitaciones); y casos en que las condiciones meteorológicas favorecen para el rebrote otoñal en mayor medida a las adventicias que al cultivo (cultivo de secano).

Para superar la incertidumbre existente aún con respecto a la utilización del cardo en Andalucía como recurso energético es necesario dedicar mayores esfuerzos al estudio y análisis de posibles soluciones para superar ciertos obstáculos de carácter técnico, como la corrosión en calderas por el contenido alto de cloro, el bajo valor energético de su biomasa, o la escasa implicación y participación de la industria transformadora, que debería considerarlo una materia prima de interés para la producción de energía.

 

Agradecimientos

Esta publicación ha sido patrocinada por el convenio entre el IFAPA y la Sociedad Andaluza de Valorización de la Biomasa titulado “Estudio Agronómico y Evaluación Económica de Cultivos Energéticos en Andalucía (CAICEM-11-89)”.