La Bioenergía, en pocas palabras, en la cáscara de frutos secos

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 biomasa^w1. 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.

Preparación: construcción de un calorímetro de combustión

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.

Materials

Para un calorímetro de combustión (figura 1):

• Base metálica o trípode para sostener el calorímetro
• Tres piezas grandes de poliestireno aislante
• Vaso de precipitado de 50 ml con tapa de poliestireno
• Termómetro
• Malla de alambre
• Lámina de aluminio adhesiva
• Cúter
• Escofina (lima metálica)

Procedimiento

1. Encuentra una estructura de metal adecuada para que actúe como base de tu calorímetro. Las piezas de poliestireno se colocarán sobre la parte superior de esta base, de manera que la estructura cree un espacio por debajo donde la vela pueda ser colocada. Nosotros usamos una estructura de metal que ya teníamos disponible en el laboratorio de nuestro colegio (figura 2), pero tú puedes reducir el tamaño del calorímetro usando un trípode.
2. La parte de poliestireno del dispositivo sostendrá el vaso de precipitado. Usando un cúter, corta las tres piezas de poliestireno para ajustarlas a las dimensiones de tu base metálica o trípode. Ten en cuenta que una de las piezas de poliestireno (la que se coloca encima de las otras dos) debería ser suficientemente gruesa (p. ej. 6 cm) para encajar el vaso de precipitado dentro. Las otras dos piezas pueden ser más delgadas (p. ej. 3 cm).
3. En el centro de cada una de las piezas de poliestireno, corta un agujero con el diámetro del vaso de precipitado. Alisa las pareces de los agujeros con una escofina. El vaso de precipitado debería quedar ajustado para evitar el paso del aire.
4. Usando una pieza de poliestireno sobrante, corta una tapa para el vaso de precipitado, que actuará como tapón. Corta un pequeño orificio en la tapa para que el termómetro pase a través de él (figura 3).
   

   
   
   

   
   
   

   
   
   

5. Intercala la malla de alambre entre las dos piezas más delgadas de poliestireno (figura 4) y coloca la pieza de poliestireno más gruesa en la parte superior.
6. Envuelve cada una de las tres piezas de poliestireno en papel de aluminio, doblando los extremos de la lámina en los orificios para el vaso de  precipitado. Asegúrate de que el poliestireno está completamente recubierto por la lámina, ya que esto asegurará que el poliestireno no se incendia.
7. Coloca el vaso de precipitado (completo con la tapa y el termómetro) en la parte superior del calorímetro (figura 5).
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Experimento: Quema de biomasa

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.

Materials

• Calorímetro
• Frutos secos, p. ej. nuez, avellana, almendra, pistacho
• Mortero y maja (mano de mortero)
• Balanza electrónica de precisión (sensibilidad de 0,1 g o menor)
• Termómetro
• Cascanueces
• Pinzas
• 50 ml de agua
• Vela, p. ej. vela de té (y cerillass)

Procedimiento

1. Usando el cascanueces, se rompe cada tipo de fruto seco y se separan las semillas de las cáscaras. Muele suavemente cada muestra (semillas y cáscaras por separado) con el mortero y la maja.
2. Pesa 0,2 g da cada muestra utilizando la balanza electrónica de precisión. Esta cantidad es suficiente para causar un cambio medible en la temperatura del agua cuando se quema.
3. Retire la pieza superior de poliestireno y coloca tu primera muestra en la malla de alambre.
4. Añade 50 ml de agua al vaso de precipitado y séllalo con la tapa de poliestireno. Asegúrate de que el termómetro está en contacto con el agua. Anota la temperatura inicial.
5. Enciende la vela y colócala debajo de la malla de alambre para encender la muestra.
6. Tan pronto como la muestra se encienda, quita la vela para evitar calentar el agua con su llama. Coloca la pieza superior de poliestireno (con el vaso de precipitado) en su posición.
7. Observa de cerca la muestra en llamas desde debajo del calorímetro. Tan pronto como deje de arder, lee y anota la temperatura de nuevo.
8. Calcula la variación de temperatura del agua y luego determina la cantidad de calor que la muestra transfirió cuando se quemó, usando la ecuación Q = m x c x ΔΤ. Recuerda que 1 ml de agua pesa 1 g.
9. Repite los pasos para cada una de las muestras de frutos secos por lo menos tres veces, cambiando el agua en el vaso de precipitado entre cada muestra.
10. Calcula la energía calorífica media por kilogramo para cada tipo de material (tabla 1). Ten en cuenta que los valores para las semillas de la literatura publicada se  muestran en la tabla 2.

Evaluación de la fiabilidad

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:

• Al comienzo del experimento, los estudiantes pesan 0,2 g de material del fruto seco usando una balanza electrónica de precisión.
• Para comprobar si las muestras han terminado la combustión, es posible que los estudiantes deban quitar el vaso de precipitado y el poliestireno para ver la muestra, lo que liberaría calor del calorímetro y afectaría a la temperatura final del agua.
• Cuando el material termina la combustión, ¿pueden los estudiantes estar seguros de que toda la muestra está quemada, o la combustión podría estar incompleta? Las cenizas sobrantes o los trozos de fruto seco sin quemar, por ejemplo, se añadirían al error.

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.

Calibración: mejora de la precisión

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.

Materials 

• Calorímetro
• 50 ml de agua
• Vela, p. ej. vela de té (y cerillas)
• Balanza electrónica de precisión (sensibilidad de 0,1 g o menor)
•  Cronómetro

Procedimiento

1. Pesa la vela usando la balanza de precisión y anota el valor.
2. Retira la pieza superior de poliestireno y coloca la vela en la malla de alambre.
3. Añade 50 ml de agua al vaso de precipitado, séllalo con la tapa de poliestireno, y anota la temperatura del agua como en el primer procedimiento experimental.
4. Enciende la vela usando una cerilla y rápidamente coloca la pieza superior de poliestireno (con el vaso de precipitado) de nuevo en su posición.
5. Usando el cronómetro para medir el tiempo, permite que la vela se queme durante 10 minutos antes de apagarla. Anota la temperatura del agua y calcula el cambio de temperatura.
6. Pesa la vela de nuevo y calcula el cambio de masa.
7. Calcula la cantidad de energía calorífica transferida al agua usando la ecuación Q = m x c x ΔΤ.
8. Repite el proceso al menos tres veces y calcula el calor medio de combustión de la cera de parafina mediante la división de la energía calorífica (Q) por el cambio de masa en la vela. En nuestro caso, el calor medio de combustión determinado experimentalmente de la cera de parafina fue 2,1589 x 10⁴ kJ/kg. Es conocido que el calor de combustión de la cera de parafina es de 4,2 x 10⁴ kJ/kg (Seager et al., 2011). 
9. Usando estos dos valores, determina un factor de corrección (D) mediante el cálculo de la proporción. Usando los valores de arriba:

D = 4.2 x 10⁴ / 2.1589 x 10⁴

   = 1.945

10. Multiplica tus valores experimentales mediante el factor de corrección, que tiene en cuenta la energía calorífica que se perdió con el entorno. Tus datos experimentales ahora deben estar más de acuerdo con los valores los valores obtenidos de la literatura científica (tabla 2). Sin embargo, pueden seguir existiendo variaciones, destacando la importancia de discutir todas las fuentes de error de la investigación.

Sacar conclusiones

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).

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 Siria^w2. 

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?

Agradecimientos

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.