Traducido por: Francisco Javier Torres González y Gabriel Pinto (Universidad Politécnica de Madrid).
¿Podrían las cáscaras de frutos secos sobrantes ser la próxima fuente de energía renovable? Desafía a tus alumnos a descubrir el uso de la calorimetría.
El mundo se está dando cuenta del daño causado por la quema de combustibles fósiles. Como resultado, muchos países están recurriendo a alternativas más respetuosas con el medio ambiente, incluida la energía obtenida de la biomasaw1. Si bien estas fuentes generalmente se consideran mejores que las no renovables, uno de los argumentos centrales de la mayoría de los debates sobre bioenergía es que las tierras de cultivo a menudo se emplean en la producción de biomasa, lo que tiene un costo para el suministro de alimentos. Una forma obvia de evitar este dilema de "alimentos frente a combustible" (y reducir las emisiones de carbono en el proceso) es obtener la bioenergía de residuos.
En los últimos años, un material que normalmente consideramos una fuente de alimento, los frutos secos, ha comenzado a utilizarse como fuente de energía. En la actualidad, se utilizan frutos secos enteros, pero ¿quemar las cáscaras de frutos secos sobrantes sería una forma más sostenible de usar este material? ¿Podría el residuo de las cáscaras de frutos secos ayudar a satisfacer las demandas futuras de energía? En las siguientes actividades, promovemos que lo descubran los estudiantes.
Usando un calorímetro casero, estudiantes de entre 14 y 19 años han determinado la cantidad de energía en forma de calor liberada por varias cáscaras de frutos secos. Mediante la comparación de sus resultados con datos procedentes de publicaciones científicas, los estudiantes evalúan si las cáscaras de frutos secos podrían reemplazar otras fuentes de energía renovable que están actualmente en uso.
La construcción del calorímetro durará de 1 a 2 horas. Nosotros sugerimos que se trabaje en grupos de 2 a 3 estudiantes y que se construya un calorímetro por grupo. Si tu centro ya tiene calorímetros que puedan ponerse en contacto con una llama, puedes omitir esta parte de la actividad y empezar de inmediato con el experimento.
Para un calorímetro de combustión (figura 1):
En los mismos grupos, los estudiantes queman varias cáscaras de frutos secos usando sus calorímetros y calculan la cantidad de energía calorífica que se transfiere de la semilla o la cáscara al agua del vaso de precipitado. Aunque el objetivo del experimento es determinar la cantidad de energía liberada por las cáscaras de frutos secos (no las semillas), los estudiantes también necesitan quemar las semillas para comparar sus resultados con los valores publicados, ya que estos están más disponibles que los de las cáscaras de frutos secos.
Para los cálculos, los estudiantes usan las siguientes fórmulas:
Q = m x c x ΔΤ
Donde:
Q = energía calorífica transmitida (J)
m = masa del agua (kg)
c = calor específico del agua (4200 J kg-1 K-1)
ΔΤ = variación de temperatura (K)
Sugerimos que los estudiantes quemen semillas y cáscaras de frutos secos de cuatro tipos diferentes, en cuyo caso el experimento durará aproximadamente 2 horas incluyendo cálculos y repeticiones.
Esta actividad no debe llevarse a cabo si alguno de los estudiantes o personal involucrado es alérgico a los frutos secos. Recuerda que algunos restos pueden permanecer en el aire tras haber molido o quemado los frutos secos, lo que podría afectar a otras personas con alergias severas que usen la habitación después.
Se deben llevar puestas gafas de seguridad y se debe tener especial cuidado con las llamas.
Energía calorífica media por kilogramo (x 104 kJ/kg) | ||
---|---|---|
Tipo de fruto seco | Semilla | Cáscara |
Nuez | 1.4595 | 0.5320 |
Avellana | 1.4175 | 0.5285 |
Almendra | 1.1690 | 1.0745 |
Pistacho | 0.6685 | 0.5180 |
Los estudiantes deberían comparar sus propios resultados para los valores de semillas y cáscaras de frutos secos con los que están ampliamente disponibles en las publicaciones científica. Esto les permitirá evaluar la fiabilidad de sus resultados para cáscaras de frutos secos. Los estudiantes pueden buscar las publicaciones científicas por ellos mismos o usar los valores que se proporcionan en la tabla 2. Nuestros estudiantes descubrieron que sus propios valores experimentales para semillas de frutos secos diferían en aproximadamente un 50% de los valores publicados que encontraron (Brufau et al., 2006). Esta gran diferencia brinda la oportunidad de analizar por qué la configuración y el procedimiento experimentales pueden causar dicha discrepancia. Más tarde, los estudiantes calcularán un factor de corrección con el que ajustar sus datos. Hay una serie de fuentes de error que se puede debatir, por ejemplo:
En general, sin embargo, la mayor fuente de error en calorimetría se produce como resultado de la pérdida de calor con el entorno. Para lidiar con esto, los estudiantes necesitan calibrar su calorímetro. En la siguiente actividad, lo hacen midiendo la energía de combustión de una vela de cera de parafina con una masa específica.
Energía calorífica media por kg (x 104 kJ/kg) | |||
---|---|---|---|
Semilla de fruto seco | Valores experimentales sin calibración | Valores experimentales con calibración | Valores publicados |
Nuez | 1.460 | 2.840 | 2.735 |
Avellana | 1.418 | 2.757 | 2.679 |
Almendra | 1.169 | 2.274 | 2.302 |
Pistacho | 0.669 | 1.300 | 1.147 |
Los estudiantes calculan la cantidad de energía calorífica que el agua del vaso de precipitado absorbe del calor de la vela, y lo comparan con la cantidad de energía calorífica que la vela libera. Con la comparación de los dos valores, los estudiantes pueden calcular el calor perdido y el error en sus mediciones. Este procedimiento dura aproximadamente una hora incluyendo repeticiones.
D = 4.2 x 104 / 2.1589 x 104
= 1.945
Para la parte final de la actividad, los estudiantes evalúan si las cáscaras de frutos secos pueden reemplazar otras fuentes de energía renovable. Para ello, pueden obtener datos de publicaciones científicas que traten sobre la energía liberada mediante la quema de fuentes de biomasa existentes actualmente, como madera dura, pellets de madera o huesos de aceituna, y comparar estos con sus propios resultados experimentales para cáscaras de frutos secos. Como alternativa, pueden usar los valores de la tabla 3, obtenidos de publicaciones científicas. Después pueden representar esta información en una gráfica (figura 6).
Energía calorífica media por kg (x 104 kJ/kg) | |||
---|---|---|---|
Biomasa (cáscaras de frutos secos y otras fuentes) | Valores experimentales sin calibración | Valores experimentales con calibración | Valores publicados |
Nuez | 0.5321 | 1.0349 | - |
Avellana | 0.5285 | 1.0279 | - |
Almendra | 1.0745 | 2.0899 | - |
Pistacho | 0.5180 | 1.0075 | - |
Madera dura | - | - | 1.5823 |
Pellets de madera | - | - | 1.9088 |
Hueso de aceituna | - | - | 1.8944 |
En general, nuestros resultados muestran que la energía procedente de la combustión de cáscaras de frutos secos era aproximadamente 46% más baja que la liberada por estas otras tres fuentes de energía. Sin embargo, hay que considerar que nuestro valor energético para cáscaras de almendra era en realidad comparable al de los pellets de madera e incluso mejor que el de maderas duras o el de huesos de aceituna.
Si el tiempo lo permite, los estudiantes pueden realizar los experimentos de calorimetría para las otras fuentes de biomasa, y comparar sus propios valores para la madera dura, por ejemplo, con sus valores para cáscaras de frutos secos.
Para evaluar completamente si las cáscaras de frutos secos podrían ser una alternativa adecuada, los estudiantes también deben considerar las ventajas y desventajas de usar cáscaras de frutos secos para bioenergía. Por ejemplo, la principal ventaja es que las cáscaras son un material de desecho, por lo que el costo de producción es muy bajo. Las cáscaras de frutos secos también contienen muy poca humedad, por lo que no requieren más secado, a diferencia de (por ejemplo) los pellets de madera, lo que reduce los costes de procesamiento. Sin embargo, la cantidad de energía producida por ciertas cáscaras de frutos secos es mucho menor que otras fuentes potenciales, como muestran los resultados. Además, el uso de cáscaras de frutos secos como fuente de bioenergía es factible solo en países donde la producción de frutos secos, y en particular las nueces y almendras, es alta, como EEUU, España, Irán, Italia y Siriaw2.
En general, nuestros estudiantes estimaron la importancia de usar cáscaras de frutos secos como fuente de energía y llegaron a la conclusión de que el uso de cáscaras para la producción de bioenergía, que de lo contrario se perderían, es una práctica valiosa e innovadora. ¿Qué conclusiones sacarán tus propios alumnos?
Los autores desean agradecer a sus alumnos, Giannis Charalambidis, Alexis Nikas and Giannis Mantzaridis, por su ayuda con los experimentos descritos en este artículo, que fueron escritos en memoria de Giannis Mantzaridis, quien falleció en 2017.
También se agradece al Dr. Georgios Memetzidis por las fructíferas discusiones sobre la construcción y calibración del calorímetro. También se expresar la gratitud al director actual, el Dr. Konstantinos Keramidas, por su interés y apoyo continuo.