PLAN DE INVERSIONES EN MAQUINARIA Y

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Plan de Inversiones en maquinaria y equipos Trabajo en curso – Versión 2 Consejo Sectorial Forestal-Madera

PROGRAMA DE PROMOCIÓN DE

EXPORTACIONES DE PRODUCTOS DE MADERA

3 P

LAN DE INVERSIONES EN MAQUINARIA Y

EQUIPOS

Dirección Nacional de Industrias

Ministerio de Industrias, Energía y Minería

Consejo Sectorial Forestal-Madera

Andrés Dieste

Montevideo, enero 2014

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El siguiente informe se realizó en el marco de un acuerdo entre la Dirección Nacional de Industrias - Ministerio de Industria, Energía y Minería y la Fundación Julio Ricaldoni de la Facultad de Ingeniería –Universidad de la República con el objeto de brindar una asistencia técnica al plan estratégico del Consejo Sectorial Forestal-Madera . La información que aquí se presenta es responsabilidad del autor.

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Puntos a destacar



Recurso forestal sin destino actual (2012)

 1,7 mill. de m

3

de trozas de pino

 0,4 mill. de m

3

de trozas de eucalipto



Producto primario: piezas de sección rectangular (tablas y

vigas)



Planta de celulosa de pino: altamente improbable



Escala económica de aserradero: 300.000 m

3

año

-1

trozas



Inversión de capital estimada para procesar el recurso

forestal sin destino: 263 mill. U$S



Proceso fundamental para agregar valor: secado de madera

con vapor como fuente de calor



Energía de secado por unidad de volumen: 1,6 veces mayor

para eucalipto que para pino (para iguales espesores y

contenido de humedad inicial)



Exportaciones anuales potenciales de producto primario

(piezas de madera de sección rectangular) para el período

2010-2030 (precios 2013)

 490 mill. de U$S



Volumen anual potencial de subproductos (trozas, chips y

aserrín) para el período 2010-2030

 1,7 mill. de toneladas de pino

 2,4 mill. de toneladas de eucalipto



La construcción de viviendas de madera para la demanda

nacional no dará solución a la oferta del recurso forestal. En

escenarios optimistas, consumiría el 4% de la oferta anual

del recurso forestal.



El desarrollo de la industria de la construcción en madera

para obra civil, particularmente edificios industriales,

comerciales, y deportivos, se presenta como una

alternativa interesante.

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Tabla de contenido

1 Introducción ... 1

2 Definición de productos de madera ... 4

3 Estimación de volumen de madera por producto... 7

3.1 Pino para transformación mecánica ... 8

3.2 Eucalipto para transformación mecánica ... 9

3.3 Oferta de sub-productos de plantaciones de pino y eucalipto destinados a transformación mecánica ... 10

4 Procesos claves en primera y segunda transformación

de madera ... 12

4.1 Secado de la madera ... 12

4.1.1 Secado con vapor como fuente de calor... 13

4.1.2 Secado con energía solar como fuente de calor ... 14

4.1.3 Secado con otras tecnologías ... 15

4.2 Energía de secado ... 16

4.2.1 Metodología de cálculo... 16

4.2.2 Estimaciones de energía de secado ... 19

4.2.3 Combustible para generar la energía para secar madera ... 20

5 Evaluar necesidades de equipos en la industria

maderera local ... 21

6 Identificación de materiales necesarios para la

construcción de viviendas de madera ... 25

6.1 Argumentación a favor de la construcción con madera ... 25

6.2 Materiales necesarios para el desarrollo de la construcción con madera. ... 26

6.3 Recomendaciones... 29

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Plan de Inversiones en maquinaria y equipos Trabajo en curso – Versión 2

Consejo Sectorial Forestal-Madera 1

1 Introducción

A grandes rasgos, la transformación de madera se clasifica en química y mecánica. El primer grupo consiste fundamentalmente en las industrias que descomponen químicamente la madera para producir celulosa, pero también surge recientemente la industria de las bio-refinerías para la producción de químicos y combustibles. Aquí la madera se utiliza como un recurso base del que se fabrican distintos productos, en analogía al petróleo y la industria petroquímica. El segundo grupo engloba la conversión de madera utilizando procesos mecánicos, manteniendo la estructura básica de la madera. A su vez, dentro de la transformación mecánica, la primera transformación de madera es el conjunto de operaciones (aserrado, debobinado, secado, clasificación, etc.) que convierten al recurso forestal en productos intermedios, tales como tablas secas y cepilladas, chapas, partículas, etc. La segunda transformación implica un nuevo proceso hasta obtener el producto terminado: ensamblado, encolado, moldeado, etc. Se trata de una clasificación arbitraria y rápida, de amplia difusión, que permite conocer el grado de especialización de las industrias.

Dentro de la transformación mecánica, este informe se concentrará en la transformación primaria, concretamente aserrado y con fuerte énfasis en el secado, dado que es considerado un proceso determinante para agregar valor a la madera. El informe Nro. 1 definió a la madera aserrada como el producto que requiere innovación y propuso la producción de productos de madera maciza encolada como una alternativa para agregar valor (Dieste 2012). Los productos mencionados requieren de un control del contenido de humedad, obtenido mediante el proceso de secado. Por lo tanto, este informe aportará información sobre el proceso de secado, clave para desarrollar este tipo de productos, y también contribuirá al dimensionamiento de la capacidad industrial necesaria para procesar el volumen disponible.

La rentabilidad de los aserraderos está determinada por la conversión de volumen (volumen de piezas de sección rectangular sobre volumen de trozas) y la recuperación de las piezas de sección rectangular de mayor valor (Walker 2006). Esto último significa la capacidad de aserrar los trozas para obtener las piezas de sección rectangular que debido a sus dimensiones, ausencia de singularidades (nudos y médula) o defectos de maquinado, tienen el mayor valor de mercado. La conversión de volumen está entre 40% y 50% para aserraderos de tecnología actual (Anderson and Westerlund 2014), y hasta un máximo de 65% para aserraderos de coníferas de alta tecnología (Walker 2006). Las tasas máximas de conversión se obtienen con un recurso forestal abundante, geométricamente uniforme y con un catálogo variado de productos, lo que permite un mejor aprovechamiento de las trozas. Para la situación de Uruguay, la recuperación de piezas de sección rectangular de mayor valor es posible a partir de trozas podadas de diámetro apical mínimo de 30 cm. Este tipo de aserrado es más lento y requiere los equipos adecuados, ya que hay que posicionar la troza antes de cada corte. Asimismo, la venta de subproductos como chips y aserrín, o su conversión en energía, también valoriza del recurso forestal.

El secado es el proceso que define la primera y la segunda transformación mecánica de la madera. El secado a la intemperie se sustituye por el secado artificial debido a los siguientes factores (Bauer 2003):

1. Procesos largos

2. Contenido de humedad final inaceptablemente alto 3. Pérdidas durante el secado

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El mínimo contenido de humedad que se puede alcanzar con el secado a la intemperie es excesivo para la mayoría de los productos de madera de alto valor (ensamblados, aberturas, molduras, etc.). En las condiciones climáticas de Uruguay el contenido de humedad de la madera se equilibra con el ambiente a aproximadamente 15% (base seca). Este contenido de humedad es superior a los límites de utilización, concretamente en estabilidad dimensional (hinchazón y contracción), adhesibilidad, y mecanización (cepillado y lijado).

El secado comienza el proceso de agregado de valor en los productos de madera de transformación mecánica. Uruguay cuenta con ventajas comparativas al momento de producir madera en pie1, ya que los crecimientos observados son superiores a una parte de nuestros competidores (EEUU, Canadá, Europa), aunque son similares o inferiores a los de otros (Chile y Brasil). Por lo tanto, Uruguay compite favorablemente en la primera etapa de fabricación, por ejemplo, para un producto simple como madera seca, cepillada y clasificada. Sin embargo, otros agentes del mercado son más eficientes en la transformación industrial más compleja, por ejemplo, productos de madera maciza encolada. Es el caso de China y el sudeste asiático. Asimismo, otros competidores cuentan con la cercanía con el consumidor final, como en Europa y EEUU. Dentro de este escenario, competidores que cuentan con la ventaja comparativa del crecimiento en volumen de los árboles (Chile, Brasil, Nueva Zelanda, etc.), realizan esfuerzos permanentes por ser más eficientes en la transformación industrial. Por lo tanto, la permanencia en el mercado de los productos que aquí se fabrican depende de la eficiencia con la que se transforme la madera bruta en productos (Balerio 2013). En este aspecto, el conocimiento y la innovación que se incorpore al producto redundará en una mejor eficiencia de producción, y por lo tanto, en un aumento de la competitividad (Figura 1).

Figura 1. Diagrama de producción de productos de madera maciza encolada.

1

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Existen diversas alternativas para secar la madera artificialmente. La más habitual es la utilización de vapor como fuente de energía térmica. En este informe se presentarán argumentos a favor de este tipo de tecnología, frente a otras como el secado solar.

En la transformación mecánica de madera, el secado es el proceso que más energía demanda. Por lo tanto, idealmente la fuente de energía debe ser barata y abundante. Habitualmente se utilizan subproductos del aserradero (chips y aserrín) como combustible para generar vapor y así obtener la energía térmica necesaria. En una cadena forestal-maderera incompleta, en la que parte del recurso forestal no se utiliza o se vende a escaso valor, como era el caso de Uruguay hasta aproximadamente mediados de la década del 2000, estos subproductos se valorizaban con costo cero, y, por lo tanto, la eficiencia energética del secado recibía escasa atención. Esta situación está cambiando rápidamente, y este informe contribuye a aportar información sobre este aspecto.

Aún sin contar con un inventario actualizado de la capacidad de secado de madera de la que dispone el país, este informe señala que es probable que la capacidad de secado instalada sea insuficiente para secar las piezas de sección rectangular que actualmente se producen. Esto provoca que la porción mayoritaria de la madera que se procesa en Uruguay se seque a la intemperie, con consecuencias negativas para el desarrollo de productos de alto valor agregado. Además, existe una escasez de oferta de madera seca, lo que contribuye a que el mercado interno consuma muy poca madera.

Este informe destaca que la construcción de viviendas de madera en Uruguay no representará un consumo significativo para la oferta forestal que existe. Sin embargo, el desarrollo de una industria de la construcción con madera para obra civil (edificios industriales y comerciales, puentes, amueblamiento urbano y de carreteras, etc.) tiene gran potencial para convertirse en un consumir masivo del recurso forestal, máxime en la comparación con la evolución del consumo interno de madera que desde 1990 en adelante tuvieron Brasil y Chile.

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2 Definición de productos de madera

A continuación se presenta un resumen simplificado de productos de madera de primera y segunda transformación que se fabrican en Uruguay.

Los productos de transformación mecánica que se ofrecen en el mercado local se fabrican a partir de dos especies: Pinus taeda y Eucalyptus grandis. Existen otras especies asociadas a las primeras, Pinus elliottii y Eucalyptus saligna, pero su participación es marginal frente a las anteriores.

Las piezas de sección rectangular se clasifican de acuerdo al espesor en tablas, considerando espesores de 20, 25 y 40 mm, y en vigas, con espesores de 50 y 75 mm. Las tablas y vigas se comercializan con una clasificación mínima en función de las singularidades tales como presencia, tipo y tamaño de nudos, médula o canto muerto. El contenido de humedad (CH) de la madera no se especifica y en general se observa escasa diferenciación entre productos (Tabla 1).

Tabla 1. Clasificación de la madera en Uruguay

Especie Producto Secado CH (%) Descripción Pino Moldes para

mampostería

A la intemperie <20% Tabla rústica. Admite canto muerto. Tablas y vigas A la intemperie o

en cámara

15% Tabla rústica o pre-cepillada. Clasificación primaria: presencia de nudos, médula y canto muerto2.

En cámara 15% Tabla rústica o pre-cepillada. Libre de nudos, médula o canto muerto.

E. grandis Tablas y vigas En cámara 15% Tabla rústica o pre-cepillada. Presencia de nudos, médula y canto muerto.

2

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Tabla 2. Lista simplificada de piezas de sección rectangular de madera fabricadas en Uruguay

Especie Producto Uso

Nominales E x A (”) Netas E x A (mm) Largo (m)

Pino Tabla Moldes de mampostería 1 x 6 20 x 150 3,30

Pino Tabla machihembrada Revestimiento 12 x 100

12 x 125 12 x 150 2,40 3,30 1 x 6 23 x 135 2,40 3,60

Pino Tabla Construcción y carpintería 1 x 6

1 x 8 1 x 10 1 x 12 25 x 150 25 x 200 25 x 250 25 x 300 2,40 3,00 3,30 3,60 4,50

Pino Tabla Construcción y carpintería 1½ x 6

1½ x 8 1½ x 10 1½ x 12 40 x 150 40 x 200 40 x 250 40 x 300 2,40 3,00 3,30 3,60 4,50

Pino Viga Construcción y carpintería 2 x 3

2 x 4 2 x 6 2 x 8 2 x 10 2 x 12 50 x 75 50 x 95 50 x 150 50 x 200 50 x 250 50 x 300 3,30 4,20 4,50

Pino Viga Construcción y carpintería 3 x 6

3 x 8

75 x 150 75 x 200

3,30 4,50

E. grandis Tabla machihembrada Revestimiento y pisos 12 x 100 12 x 125 12 x 150 2,40 3,30 22 x 100 22 x 150 22x 150

E. grandis Tabla Construcción y carpintería 1 x 6 1 x 8 25 x 150 25 x 200 2,10 2,40 3,30 4,30 4,50

E. grandis Tabla Construcción y carpintería 1½ x 6 1½ x 8 40 x 150 40 x 200 2,10 2,40 3,30 4,50

E. grandis Viga Construcción y carpintería 2 x 8 50 x 200 4,30 4,50

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Tabla 3. Lista simplificada de productos de madera maciza encolada (unión tipo finger-joint)

Altura (mm)

Ancho

(mm) Largo (m)

Pino3 Paneles Construcción y carpintería 12

18 22 33 300 400 500 600 800 2,4 3,1

E. grandis Tablas machihembradas Revestimientos y pisos 12 85 105 4,0 a 12,0 (intervalo 0,5) 22 85 105 4,0 a 12,0 (intervalo 0,5)

E. grandis Paneles Construcción y carpintería 12 18 22 33 40 50 300 400 500 600 800 2,4 3,1

E. grandis Listones laminados Construcción y carpintería 45 50 45 50 75 3,3 4,5 5,0 6,0

E. grandis Vigas laminadas

(láminas espesor variable entre 20 y 32 mm) Construcción y carpintería 100 145 150 192 200 45 50 73 75 100 130 4,0 a 12,0 (intervalo 0,5)

Tabla 4. Lista simplificada de tableros

Espesor (mm) Ancho (mm) Largo (m)

E. grandis Tablero contrachapado Estructural 12 1220 2,44

Pino Revestimiento 15

Pino y E. grandis Encofrado 18

Embalaje 22

Pino Tablero MDF Mueblería 3,0

4,7 5,5 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 1220 1520 1830 2440 2,44 3

Se observa la ausencia de oferta de madera laminada encolada de pino, un producto de producción masiva en otros países para uso estructural, principalmente porque permite el tratamiento químico en profundidad para aumentar su durabilidad.

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3 Estimación de volumen de madera por producto

Con el objetivo de cuantificar los equipos necesarios para la transformación mecánica del recurso forestal, este informe propone un escenario hipotético con las siguientes condiciones:

1. Transformación de madera en piezas de sección rectangular (tablas y vigas)

La transformación mecánica en piezas de sección rectangular requiere inversiones inferiores a otras alternativas, tales como plantas de OSB o LVL, ya que la instalación de una planta de aserrado cuesta por lo menos un tercio de otras alternativas (Spelter et al. 1996). Por lo tanto, en un escenario dónde el acceso al capital es limitado, es probable que el recurso forestal se transforme utilizando la alternativa menos intensiva en capital. Asimismo, estas piezas aserradas son commodites, ofrecidas por diversos competidores. En un mercado con estas características, la flexibilidad es una ventaja. La industria de aserrado puede diversificar el tipo de producto a partir de inversiones comparativamente bajas, tales como la instalación de una nueva máquina o un nuevo proceso (Walker 2006). Esto no es así para la industria de los contrachapados o los tableros de partículas, dónde las operaciones funcionan como líneas de producción, instaladas como una unidad.

2. Aumento de la capacidad de producción de Urupanel S.A. y Weyerhaeuser S.A., pero sin la instalación de una nueva planta de producción de tableros contrachapados.

La industria de tableros contrachapados sufre actualmente la fuerte competencia de la industria de OSB. Además, debe competir por las mejores trozas con la industria de aserrío. Por lo tanto, su desafío es fabricar productos de alto valor con madera de crecimiento rápido y de bajo valor (Walker 2006). Consecuentemente, se trata de una industria compleja, en la que tiene alto valor el conocimiento del recurso forestal y del proceso industrial. Se estima que las operaciones instaladas aumentarán su capacidad de producción, utilizando la oferta de un recurso forestal abundante (Dieste 2012), pero que no se instalarán nuevos plantas.

3. Consumo anual para producción de celulosa de fibra corta4 de al menos 8 millones

de m3.

La operación de dos plantas de producción de celulosa, UPM desde 2007 y de Montes del Plata a partir de 2014, que en conjunto está previsto que fabriquen 2,4 millones de toneladas de celulosa anualmente, asegura un consumo mínimo anual de 8 millones de m3 de madera de eucalipto (Montes del Plata 2013; UPM 2013).

4. Ausencia de una planta de producción de celulosa de pino

Dada la oferta anual de madera de fibra larga (madera de pino) estimada para Uruguay en el período 2010-2030, 3 millones de m3, se observa como poco probable la instalación de una planta de transformación química para utilizar este recurso. Gran parte de la oferta de pino ya está comprometida a operaciones de transformación mecánica. Además, el crecimiento local de las plantaciones de pino es sensiblemente inferior a las de eucalipto y la obtención de celulosa es también más costosa.

4

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A partir de estos supuestos, se consideró que la madera que no está comprometida en las operaciones industriales actuales, se aserrará para producir piezas de sección rectangular, obteniendo como subproductos chips y aserrín. Dado que el espesor de las tablas determina el tiempo de secado, se realizó una estimación del volumen de tablas por espesor; para ello se asumió que la producción de tablas aserradas se dividirá en cuatro espesores: 17, 25, 40 y 45 mm, con una variación de ±2 mm (Tabla 5).

Tabla 5. Estimación de productos por espesor

Espesor (mm) Productos

17±2 Embalaje (cajonería, pallets, revestimientos de madera)

25±2

40±2 Construcción, madera maciza encolada, molduras, carpintería

45±2

3.1 Pino para transformación mecánica

El escenario de aserrío se realizó en función de los diámetros apicales y de los largos de las trozas de pino hipotéticas propuestas por Bussoni y Cabris (2010) para un análisis económico de plantaciones podadas de P. taeda en Uruguay. La estimación del volumen de producto forestal se obtuvo de Dieste (2012), considerando una oferta anual promedio para el período 2010-2030 de 2,95 millones de m3. Este volumen de madera se dividió en clases diamétricas en función del diámetro apical de los trozas: menor a 15 cm, entre 15 y 25 cm, y mayor a 25 cm. Asimismo, el volumen de madera obtenido en cada operación silvicultural, dos raleos y una tala rasa, se dividió en estas clases diamétricas (Tabla 6).

Tabla 6. Proporción de trozas de P. taeda por diámetro apical (Bussoni and Cabris 2006; Bussoni and Cabris 2010) Volumen anual (1000xm3) Clase Ø (cm) 1er raleo (10 a 13 años) 2do raleo (15 a 16 años) Tala rasa (24 años) Total Menor a 15 106 80 36 222 15-25 187 623 436 1.246 Mayor a 25 391 1.092 1.483 293 1.094 1.564 2.951

Existen alternativas industriales para la transformación de trozas de bajo diámetro apical (menor a 15 cm), tales como las presentadas por Spelter et al. (1996) y Ranta-Maunus (1999), pero en la condiciones actuales de Uruguay es probable que esa clase diamétrica sea destinada a la producción de chips5; por lo tanto, 222.000 m3 de trozas no fueron incluidos en el escenario de aserrado (Tabla 6).

Además, se asumió que para el período 2010-2030 la capacidad de transformación mecánica de pino instalada a 2012, 720.000 m3 (Dieste 2012), aumentará mediante ampliaciones hasta alcanzar un consumo de trozas de pino de 1 millón de m3 anuales. Se consideró que las fábricas en operación cuentan con infraestructura para secado o harán las inversiones necesarias para tenerlo y por lo tanto este volumen no fue tenido en cuenta para cuantificar la

5

La utilización de trozas de diámetro menor a 15 cm para fabricar productos tales como tableros de OSB, postes cilindrados o tablas para embalaje, requiere de inversiones que a 2013 no se observan en Uruguay. Sin embargo, se extienden las inversiones de producción de energía eléctrica a partir de biomasa.

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capacidad de secado necesaria. Por lo tanto, la estimación de equipos necesarios para procesar el volumen adicional se realizó para un volumen de 1,71 millones de m3 de trozas (Tabla 6).

El escenario de aserrado fue construido considerando las clases diamétricas de diámetro apical mayor a 15 cm y hasta 43 cm. En las trozas modeladas se asumió una diferencia entre el diámetro basal y el apical de 2 cm·m-1, superior al 1,3 cm·m-1 que se desprende de los datos de O’Neill et al. (2003). De esta manera, se obtiene un modelo más conservador. Se diseñaron esquemas de corte para los trozas considerando espesores de 20, 25, 40 y 45 mm, ancho mínimo mayor a 90 mm, y largo mínimo mayor a 1,2 m. En este escenario se maximizó la producción de tablas de espesor 40 mm, ya que se trata de un espesor demandado en la industria de construcción. Los esquemas de corte se analizaron gráficamente (CadWork versión 19). Se obtuvo un factor de recuperación lineal de 43% y 47% para las clases diamétricas de 15 a 25 cm, y mayor a 25 cm, respectivamente. Para el período 2010-2030 se obtuvo un promedio anual de 774.000 m3 de piezas de sección rectangular (Tabla 7).

Tabla 7. Estimación de volumen anual de tablas de P. taeda por espesor (capacidad a instalar)

Espesor tablas (mm)

Clase Ø Volumen trozas FRL 20 25 40 45 Total (cm) (1000xm3) (%) (1000 x m3)

15 a 25 780 43 165 116 53 334 Mayor a 25 929 47 326 114 440 Totales 1.709 165 116 379 114 774

3.2 Eucalipto para transformación mecánica

El total del recurso forestal de este grupo de especies representa 3,0 millones de m3 anuales para el período analizado (Dieste 2012) (Tabla 8).

Tabla 8. Proporción de trozas de E. grandis por diámetro apical (SAG Grandis INIA 2012)

Volumen anual (1000 x m3) Clase Ø (cm) 1er raleo (10 años) 2do raleo (15 años) Tala rasa (20 años) Total Menor a 15 66 136 239 441 15-25 12 255 950 1.217 Mayor a 25 1.293 1.293 78 391 2.482 2.951

Tal como ocurre con el recurso forestal de pino, los trozas de diámetro igual o inferior a 15 cm, 441.000 m3 anuales para el período, no se consideraron aptas para aserrado en el agrupamiento de especies E. grandis (Tabla 8). Asimismo, este estudio estima que 53% del total de trozas con diámetro apical mayor a 15 cm, 1,33 millones de m3, se destinarán a la industria de celulosa. También una pequeña fracción de este volumen se exportará. Esta asunción se debe a que la fabricación de productos competitivos de E. grandis es técnicamente más compleja y más cara que la de pino. Para lograr productos exportables es necesario contar con trozas con especificaciones restrictivas (geometría, nudos, tensiones de crecimiento, etc.), solamente alcanzables con material genético y silvicultura acorde a las exigencias del proceso industrial. Por lo tanto, en Uruguay la transformación mecánica de este grupo de especies se realizará exclusivamente con la madera que tenga la mayor probabilidad de retorno económico (Tabla 8).

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Esta asunción también se sustenta en que a partir de 2014, con la puesta en marcha de la fábrica de pasta de celulosa de Montes del Plata, el consumo de materia prima para la producción de celulosa de eucalipto alcanzará por lo menos 8,0 millones de m3 anuales, generando un mercado demandante de esta madera. Asimismo, existe un mercado de trozas de E. grandis dirigido a la industria de carpintería y mueblería de Asia (Vietnam, India, China, e Indonesia, entre otros destinos). Para ilustrar la importancia de este comercio, en 2012 la exportación de trozas industriales de eucalipto hacia estos países significó 13,9 millones de U$S, más del 40% del valor de las exportaciones de madera aserrada de eucalipto hacia todos los destinos (SIE - Uruguay XXI 2013). Si se considera un precio promedio de 143 U$St-1 (Pou 2010) y una densidad de trozas recientemente apeados de 900 kgm-3, es posible calcular que en 2012 se exportaron al sudeste asiático 108.000 m3 de trozas de eucalipto para aserrado.

Por lo tanto, para el período 2010-2030 se estimó que 1,2 millones de m3 de trozas del agrupamiento E. grandis tendrán como destino la transformación mecánica (Dieste 2012). Esta estimación está de acuerdo con otras publicadas (Nolan et al. 2005). La capacidad de procesamiento instalada a 2012 era 695.000 m3 de trozas (Dieste 2012), y este trabajo asumió un aumento del 10%, hasta alcanzar 770.000 m3 anuales. No se anticipan mayores aumentos de capacidad en las fábricas que ya procesan este grupo de especies porque, debido a la fecha de las plantaciones, gran parte de los bosques ya completaron el ciclo, llegando a los 20 años. Por lo tanto, las plantas están diseñadas para la capacidad máxima, algo que aún no ocurre en las fábricas que procesan pino. Por lo tanto, dentro del período 2010-2030, la estimación de equipos necesarios para procesar el volumen adicional que no absorberán las fábricas ya instaladas, se realizó para 410.000 m3 de trozas (Tabla 9).

Con el objetivo de mantener un análisis simplificado, el escenario de aserrado utilizado fue idéntico al de pino, y también maximizando la producción del espesor 40 mm. Para el período 2010-2030 se obtuvo un promedio anual de 185.000 m3 de piezas de sección rectangular de 17, 25, 40 y 45 mm de espesor. Se observa que para las clases diamétricas consideradas el factor de conversión volumétrica era 43 y 47%. Esto es alto para E. grandis, ya que existen mínimos reportados para eucalipto de menos de 30% (Walker 2006). Sin embargo, se asume que a los efectos de este análisis, estos factores de conversión son aceptables, ya que el recurso forestal considerado tiene silvicultura previa que mejora la forma de las trozas, el tipo de nudos, y que las tensiones internas están controladas en el proceso (Tabla 9).

Tabla 9. Estimación de volumen anual de tablas de E. grandis por espesor (capacidad a instalar).

Espesor tablas (mm)

Clase Ø Volumen trozas FRL 17 25 40 45 Total (cm) (1000xm3) (%) (1000 x m3)

15 a 25 199 43 42 30 13 85 Mayor a 25 211 47 74 26 100 Totales 410 42 30 87 26 185

3.3 Oferta de sub-productos de plantaciones de pino y

eucalipto destinados a transformación mecánica

La operación de aserrado define especificaciones para la madera en rollo, tales como diámetros apicales mínimos, diámetros máximos, geometría, podas, etc., que restringen el uso

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del recurso forestal. Asimismo, el aserrado genera subproductos, chips y aserrín. La oferta de sub-productos de las plantaciones destinadas a la transformación mecánica consiste en la suma de la madera en rollo descartada, más el chip y aserrín producto de la transformación mecánica. Se estimó que la madera de pino se destinará a la generación de energía eléctrica y a la producción de tableros de partículas. A su vez, la madera de eucalipto tendrá un mercado adicional a los de la madera de pino: la producción de celulosa. En un contexto de demanda de madera de fibra corta para la producción de celulosa, la madera en rollo que no reúne las condiciones óptimas para la transformación mecánica, así como el chip, se volcará mayormente a la producción de celulosa. Se asume que el chip y el aserrín representan el 70% y 30% de la masa de subproductos (Li et al. 2006). El aserrín, que no se emplea en la fabricación de celulosa, será un material disponible para la generación de energía eléctrica.

Este estudio propone un análisis simplificado de la oferta de subproductos de la madera en rollo destinada a transformación mecánica. Se asume una densidad de la madera verde de 1 tm-3. La trozas con diámetro apical inferior a 15 cm representa para el pino y el grupo de especies E. grandis 220 y 440 miles de toneladas, respectivamente. Asimismo, 1,33 millones de toneladas de trozas de E. grandis no se transformarán mecánicamente, generado fibra disponible para la producción de celulosa (Tabla 8). Por lo tanto, el descarte para transformación mecánica local de trozas de pino y del agrupamiento de especies E. grandis será 0,22 y 1,77 millones de toneladas, respectivamente (Tabla 10).

Para estimar la masa de subproductos de la transformación mecánica, chips y aserrín, se asumió que todo el recurso forestal destinado a la transformación mecánica se procesa en plantas de aserrío, lo que es incorrecto, ya que Weyerhaeuser y Urupanel son fábricas de debobinado de madera. Sin embargo, la conversión lineal de trozas a producto es similar al considerado para las plantas de aserrado (promedio 45%), por lo que a efectos de este análisis se considera aceptable. Para la madera de pino, el aserrío de toda la madera disponible anualmente para el período 2010-2030 generará 1,5 millones de toneladas de chips y aserrín, un tercio de los cuales por la capacidad industrial ya instalada, incluido el aumento de producción de las fábricas en operación, y el resto por la capacidad a instalar. Asimismo, el aserrío del grupo de especies de E. grandis generará 650 miles de toneladas de chips y aserrín, dos tercios por la capacidad ya instalada, también incluyendo el aumento de capacidad de las fábricas en operación, y el resto por la nuevas plantas a instalar (Tabla 10).

Se estimó que el total de la masa de madera de pino considerada estará disponible para la generación de energía o la fabricación de tableros de partículas. Para los trozos de diámetro apical inferior a 15 cm un posible destino es la producción de tableros de OSB, ya que este proceso requiere trozas enteras. Otro posible destino para trozas de bajo diámetro es la producción de postes cilindrados de bajo diámetro para mueblería urbana y elementos de protección en carreteras (vallas de protección, barreras, etc.) (Ranta-Maunus 1999). Tanto las trozas como el chip podrían utilizarse en la producción de tableros de MDF.

La situación es distinta para la madera de eucalipto, ya que se estima que toda la madera en rollo se destinará a la producción de celulosa, y probablemente una porción significativa de la producción de chips se vuelque también a este fin. Por lo tanto, se calculó que para el período considerado los subproductos de las plantaciones del grupo de especies E. grandis destinadas a transformación mecánica aportarán 2,2 millones de toneladas a la industria de la celulosa. Asimismo, la producción de energía tendría una oferta estimada máxima de 1,9 millones de toneladas. Parte de este material será necesario para generar la energía de la plantas de transformación (movimiento de máquinas y fundamentalmente secado). Dos valores definidos

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por el mercado orientarán la utilización del recurso forestal en productos de mayor valor agregado: el precio de la fibra para celulosa, ya sea madera en trozas o chip, y el precio de compra de la energía eléctrica producida a partir a de biomasa (Tabla 10).

Tabla 10. Sub-productos del recurso forestal destinado a transformación mecánica para el período 2010-2030 (material sin corteza)

Masa

Especie Material (1000 x t) Destino industrial probable Pino Trozas Ø apical< 15 cm 220 Energía

Producción de tableros (OSB) Postes cilindrados

Chips 1,050 Energía

Producción de tableros (MDF)

Aserrín 450 Energía

Sub-total 1,720

Eucalipto Trozas Ø apical< 15 cm 440 Celulosa Trozas descarte aserrío y debobinado 1,330 Celulosa

Exportación Chips 455 Celulosa Aserrín 195 Energía Producción de tableros (MDF) Sub-total 2,420 Total 4,140

Dado que este estudio estimó que la oferta del recurso forestal destinado a transformación mecánica está concentrada en el noreste del país, los resultados son comparables a los presentados por el proyecto “Producción de electricidad a partir de biomasa”, realizado para los departamentos de Rivera, Tacuarembó, Cerro Largo y Durazno, en el que se estimó la oferta de biomasa promedio para la producción de energía, en el período 2016-2020, en 2,3 millones de toneladas (PROBIO 2013a).

4 Procesos claves en primera y segunda transformación

de madera

4.1 Secado de la madera

El secado de madera es el proceso de transformación primaria de la madera que más energía demanda, y el que más tiempo de operación necesita. Se trata de una operación que se realiza por lotes, en unidades discretas de volumen. Esta falta de continuidad requiere dimensionar cuidadosamente la operación. En la transformación mecánica, el secado es el proceso industrial que más condiciona la calidad del producto terminado. Es crítico para aumentar la durabilidad, la estabilidad dimensional y las propiedades mecánicas de la madera, además de reducir su masa para el transporte del producto terminado.

La madera seca artificialmente no requiere protectores químicos para evitar el desarrollo del complejo de microorganismo conocido como “mancha azul”, y por lo tanto se reduce la carga ambiental de la operación de aserrado.

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Para las condiciones de Uruguay se presentarán dos tecnologías de secado: 1) secado por convección con vapor como fuente de calor; 2) secado por convección con energía solar como fuente de calor.

4.1.1 Secado con vapor como fuente de calor

El secado con vapor de agua como fuente de calor es la tecnología más habitual de secado, generalmente utilizando residuos de la transformación mecánica de madera como combustible para la generación del vapor (Keey et al. 2000; Bauer 2003).

La madera de las coníferas en general, y la de los pinos que se cultivan en Uruguay en particular (P. taeda y P. elliottii), admite condiciones de secado severas; en las últimas etapas de secado es posible alcanzar una humedad relativa inferior a 20% y temperaturas cercanas a 90°C (Forest Products Laboratory 2010). A continuación se presentan programas habituales para secado de pino por espesor de las piezas (Tabla 11).

Tabla 11. Programas de secado para P. taeda, modificado de Boone et al. (1988).

17 mm 25 mm 40 mm 45 mm CH (%) T (°C) HR (%) UV t (h) CH (%) T (°C) HR (%) UV t (h) CH (%) T (°C) HR (%) UV t (h) CH (%) T (°C) HR (%) UV t (h) 30 71 60 12 30 71 43 24 30 60 75 24 30 60 75 24 20 85 19 12 20 85 19 24 25 71 43 24 25 71 43 24 10 85 16 24 10 85 16 24 20 85 19 24 20 85 19 24 10 85 16 24 10 85 16 36 48 72 96 108

A su vez, el comportamiento de la madera de E. grandis durante el secado es completamente distinto al del pino. Su composición anatómica, propia de las maderas de frondosas, hace que la circulación de fluidos entre las células esté mayormente bloqueada. Por lo tanto, el agua se mueve a través de la madera por difusión hasta alcanzar la superficie y allí evaporarse. Este es un proceso lento, y el producto es susceptible a un severo deterioro durante el secado (colapso, rajaduras superficiales e internas, distribución heterogénea del contenido de humedad, etc.) (Vermaas 1995). Por lo tanto, la madera de E. grandis debe secarse en condiciones menos exigentes que la madera de pino. Esto hace que el tiempo de secado para iguales espesores sea sustancialmente mayor para E. grandis que para pino

Con el objetivo de disminuir el deterioro producido por el secado es práctica común secar la madera en dos etapas: pre-secado y secado. Durante el pre-secado se elimina la mayor proporción de agua libre, alcanzando un contenido de humedad de aproximadamente 40% (base seca). A continuación, el secado se realiza en cámaras de secado convencional hasta lograr el contenido de humedad objetivo, generalmente en el entorno de 10% (base seca). El pre-secado se realiza a la intemperie o en cámaras de pre-secado, que consisten en cámaras de secado con reducido costo de construcción, aproximadamente un tercio del costo de una cámara de secado. Presentan baja aislación térmica, baja velocidad de circulación de aire (menor a 1 ms-1), baja superficie de intercambiadores de calor, etc., pero con control de temperatura, humedad ambiente y circulación forzada de aire. Se opera con condiciones constantes y de baja demanda de secado: humedad relativa cercana a 70% y temperatura por debajo de 40°C. En estos equipos se alcanza un contenido de humedad cercano al 40% (base

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seca), previo al secado convencional. Los programas se secado de E. grandis en cámaras de secado convencional son similares a los de otras frondosas de secado complejo y alto valor, como el castaño o el roble: la temperatura máxima es 65 °C y humedad relativa mínima es 40% (Bauer 2003; Jankowsky et al. 2003; Nolan et al. 2003; Nolan et al. 2005).

A continuación se presentan programas de secado para madera de distintos espesores de E.

grandis, considerando el proceso sin secado y con secado. Se observa que el

pre-secado disminuye drásticamente la duración de la operación de pre-secado (Tabla 12).

Tabla 12. Programas de secado para E. grandis, modificado de Redman y McGavin (2008) y de Jankowsky et al. (2003).

Sin pre-secado (Redman and McGavin 2008) Con pre-secado (Jankowsky et al. 2003)

25 mm 38 mm 25 mm 40 mm CH (%) T (°C) HR (%) UV t (h) CH (%) T (°C) HR (%) UV t (h) CH (%) T (°C) HR (%) UV t (h) CH (%) T (°C) HR (%) UV t (h) Verde 45 83 1,0 Verde 45 83 1,0 50 40,5 0,80 1,0 6 50 40 88 1,0 24 60 45 78 1,0 36 60 45 83 1,0 30 40,5 0,75 0,8 25 45 40 88 1,0 48 40 50 75 1,0 120 40 50 80 1,0 120 20 46,0 0,65 0,6 27 40 40 85 1,0 48 35 50 75 1,0 24 35 50 80 1,0 60 12 65,5 0,40 0,6 24 35 40 85 1,0 48 30 55 60 0,8 60 30 55 75 0,8 60 30 40 77 0,8 48 25 60 58 0,6 48 25 60 65 0,6 60 25 51 72 0,6 48 20 70 45 0,6 48 20 70 60 0,6 60 20 57 62 0,6 48 10 70 35 0,6 72 10 70 45 0,6 120 15 65 50 0,6 48 408 480 82 360

4.1.2 Secado con energía solar como fuente de calor

La tecnología más extendida consiste en confinar la madera en una cámara cerrada que contiene colectores para calentar el ambiente de la cámara y así evaporar el agua de la madera. También existen diseños con colectores externos a la cámara que utilizan aire o agua como medio de intercambio de calor, aunque son menos habituales que los anteriores. La cámara cuenta con ventiladores para la circulación del aire a través de las pilas de madera (Keey et al. 2000). Generalmente las cámaras presentan una capacidad menor a 10 m3, pero en Brasil existen en funcionamiento cámaras de 200 m3 (Bauer 2003). El secado solar permite secar la madera 60% más rápido que a la intemperie, pero es 50-200% más lento que el secado en una cámara que utiliza vapor como fuente de calor (Bauer 2003). El secado solar es una tecnología que requiere baja inversión. De acuerdo a Imré, citado por Keey (2000), el secado solar ofrece un retorno rápido de la inversión cuando la madera requiere un secado moderado de baja temperatura (cercana a 50 °C) y se garantiza un uso intensivo del equipo. Para las condiciones de Uruguay, el secado solar se ajusta a al secado de madera de eucalipto en plantas que procesen poco volumen, ya que el secado de madera de pino admite temperaturas mayores, acelerando la operación. A continuación se presentan tiempos de secado para distintos espesores (Tabla 13).

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Tabla 13. Experiencias de secado solar en Uruguay: duración del secado para distintas especies y espesores

Espesor CHi CHf t

Especie (mm) (%) (%) (días) Referencias

E. tereticornis 15 27 12 57 Pérez y Sauer (1998)

E. grandis 27 103 11 95 de Castro et al. (2008)

E. grandis 38 63 11 78 Pérez y Sauer (1998)

E. tereticornis 40 ~60 10 108 Ono y Venturino (2005)

E. camaldulensis ~60 13 76

P. elliottii 38 39 13 62 Pérez y Sauer (1998) 50 62 14 90 Buenavida (2003)

Existen tecnologías alternativas de secado que complementan la energía térmica generada en una caldera de biomasa con energía solar. En un exhaustivo estudio realizado en Brasil, a latitud 20°S, se secó madera de E. grandis de 27 y 42 mm de espesor desde un contenido de humedad inicial de 65% (base seca) a 12% (base seca), utilizando una cámara de 200 m3 calefaccionada con agua caliente, con aporte suplementario de energía solar. El tiempo de secado para espesores de 27 y 42 mm fue 27 y 65 días, respectivamente, lo que representa un tiempo de secado 20% superior al de una cámara convencional. La demanda de energía térmica para los espesores indicados fue 1390 MJm-3 (20% energía solar) y 2000 MJm-3 (46% energía solar), respectivamente. Las piezas de mayor espesor requieren más tiempo de secado, y por lo tanto el aporte de energía solar representa un ahorro significativo (Bauer 2003).

4.1.3 Secado con otras tecnologías

Hay disponibles en el mercado otras tecnologías para el secado de madera: vacío, vapor sobrecalentado, dieléctrico (radiofrecuencia y microondas), deshumidificadores, etc. Estas tecnologías fueron diseñadas para mejorar la calidad del secado en cámaras que utilizan el vapor como fuente de calor. Por lo tanto, se concentran en reducir la duración del proceso, en minimizar el consumo energético, o en mitigar el daño producto del secado: deformaciones, rajaduras o cambios de color. La situación actual de Uruguay presenta el problema de secar fundamentalmente P. taeda y E. grandis. La primera especie se considera de secado sencillo, y por lo tanto la tecnología disponible en cámaras calentadas con vapor es la adecuada. Por el contrario, la madera de E. grandis presenta un secado lento y difícil, con altas probabilidades de deterioro durante el secado. Por lo tanto, para piezas de sección rectangular de alto valor, especialmente para espesores superiores a 50 mm, podría ser interesante ensayar otras alternativas tecnológicas al secado en cámara con vapor como fuente de calor. Sin embargo, estas tecnologías demandan inversiones superiores a las del secado habitual y para su operación requieren conocimientos técnicos distintos a los secadores convencionales.

Particularmente, el secado en vacío se utiliza en Europa para secar maderas de frondosas de alto valor y difícil secado, tales como roble y castaño. Esta tecnología se fundamenta en que a menor presión el agua evapora a menor temperatura. Por lo tanto, en condición de vacío, la madera se seca a baja temperatura, alcanzado tasas de secado equivalentes a alta temperatura a presión atmosférica, y con menor daño a la madera (Vermaas 1995). De esta manera, es posible secar espesores de 50 mm y más entre ½ y ⅓ del tiempo necesario para el secado a presión atmosférica. Asimismo, la baja temperatura utilizada reduce el cambio de color de la madera durante el secado. A su vez, este tipo de secado presenta dificultades técnicas: menor tasa de intercambio de calor, menor capacidad efectiva de carga, y mayor corrosión (Keey et al. 2000). Sin embargo, la reducción de la duración del secado para piezas

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de gran espesor, sumado a la mitigación de la decoloración, hacen del secado al vacío una alternativa interesante para analizar para E. grandis.

4.2 Energía de secado

La energía de secado se divide en dos aspectos: la energía térmica para evaporar el agua de la madera y la energía para circular el aire dentro de la cámara de secado y a través de las pilas de madera. Simplificando el proceso, es posible identificar los siguientes factores:

 especie

 contenido de humedad inicial

 espesor de las piezas

 tecnología de secado

 diseño de la cámara de secado

 condiciones ambientales externas

 contenido de la humedad objetivo

4.2.1 Metodología de cálculo

El cálculo de la demanda energética del secado se realizó definiendo una cámara de secado de madera por convección que utiliza vapor de agua como fuente de calor. Se asume que la operación de secado se detiene 10 días al año para trabajos de mantenimiento y que la eficiencia de utilización de los equipos (cargas y descargas, roturas, imprevistos) es de 75%. Además, la eficiencia de carga de los equipos es inferior a 50%. Este aspecto es directamente proporcional al espesor de las piezas: a mayor espesor, mayor eficiencia de carga. Se asumió una altura de separadores entre tablas para la circulación forzada de aire de 20 mm. La capacidad de carga de las cámaras de secado es generalmente mayor a 50 m3, siendo habituales las cámaras con capacidad de 100 a 200 m3. Para este análisis se consideró una cámara de capacidad de carga de 180 m3 (Tabla 14).

Tabla 14. Especificaciones de la cámara de secado hipotética, modificado de Shottafer y Schuler (1974)

Parámetro Unidad Dimensiones

Ancho externo m 5,0

Largo externo m 15,5

Alto externo m 8,0

Capacidad de carga m3 180

Eficiencia promedio de carga % 50

Coeficiente de transferencia térmica paredes y techo kJ(m2°C)-1 2,4

Coeficiente de transferencia térmica puerta kJ(m2°C)-1 4,5

Coeficiente de transferencia térmica suelo kJ(m2°C)-1 18,4

Potencia motor de los ventiladores kWh 4

Cantidad de ventiladores Un. 12

Eficiencia de los ventiladores % 60

La modelación del consumo energético para un secado hipotético de tablas de Pinus taeda y E.

grandis hasta un contenido de humedad de 10% (base seca) se realizó para piezas de espesor

17, 25, 40 y 45 mm, con un contenido de humedad de 100% (base seca), habitual para las condiciones de Uruguay en madera de esa especie (Tabla 7 y 9). La madera en pie de los pinos

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cultivados en Uruguay presenta un contenido de humedad promedio de 148% (base seca) (O’Neill et al. 2003). Para evitar el desarrollo en la superficie de la “mancha azul”6, la madera de pino debe secarse por debajo del punto de saturación de las fibras, aproximadamente 30% (base seca), a menos de 72 horas de aserrada. Por lo tanto, se estima en las condiciones de Uruguay la madera de pino ingresará a las cámaras de secado con un contenido de humedad de 100% (base seca). La densidad básica aparente se asumió en 384 kgm-3 (O’Neill et al. 2003). Para los espesores 17, 25, 40 y 45 mm se consideraron los programas de secado referenciados en la literatura, modificados por el autor (Tabla 11 y 12). Dado que la madera de E. grandis se seca en cámara con y sin pre-secado, la modelación del consumo energético de un secado hipotético para tablas de E. grandis se realizó en dos condiciones: sin y con pre-secado. Se asumió una densidad básica aparente de 432 kgm-3 y un contenido de humedad promedio para los árboles en pie de 97,5% (base seca) (O’Neill et al. 2004). En el primer caso, se consideraron programas de secado para piezas de espesor 25 y 38 mm, con un contenido de humedad inicial de 68,7% (base seca) y 52,5% (base seca), respectivamente (Redman and McGavin 2008)7. En el segundo caso, se utilizaron programas de secado para piezas de espesor 25 y 40 mm, con un contenido de humedad inicial de 40% (base seca) (Jankowsky et al. 2003) (Tabla 12).

La energía térmica necesaria para el proceso de secado se descompone en los siguientes elementos: calentamiento de la madera anhidra (Q1); calentamiento del agua adsorbida en la

madera (Q2); calentamiento del agua remanente en la madera (Q3); calentamiento del agua

evaporada (Q4); evaporación del agua contenida en la madera (Q5); calentamiento del aire

seco de ventilación (Q6); calentamiento del vapor de agua contenido en el aire de ventilación

(Q7); calentamiento del aire y del vapor de agua que ingresan por exceso a la cámara de

secado (Q8); evaporación del agua para humidificar el exceso de aire (Q9); calentamiento para

compensar las pérdidas de calor al ambiente (Q10). Además, se calcula la energía necesaria

para para circular el aire dentro de la cámara de secado (Tablas 15 y 16).

6

La madera puede tratarse químicamente para prevenir ese ataque, pero esto obliga a agragar un nuevo proceso, con el consiguiente aumento de costos económicos y ambientales.

7

Ante la dificultad de encontrar programas de secado referenciados para E. grandis sin pre-secado, se utilizaron programas diseñados para E. cloeziana y E. pellita.

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Tabla 15.Ecuaciones utilizadas para el cálculo de la energía de secado (Shottafer and Shuler 1974; Tschernitz 1991; Ananias et al. 2012)

Calentamiento de la madera anhidra en cada etapa de secado (Q1)

∑

Calentamiento de agua adsorbida (Q2)

Calentamiento del agua remanente en la madera (Q3)

Calentamiento del agua evaporada (Q4)

Evaporación de agua contenida en la madera (Q5)

Calentamiento del aire seco de ventilación (Q6)

Calentamiento del vapor en el aire de ventilación (Q7)

Calentamiento del exceso de aire seco y vapor (Q8)

( ) Evaporación de agua para humidificar el exceso de aire (Q9)

[( ) ]

Reemplazar pérdidas de calor al ambiente de cada componente (Q10)

∑

Consumo de energía para la circulación de aire

∑

Tabla 16. Parámetros para el cálculo de la energía de secado (Shottafer and Shuler 1974; Tschernitz 1991; Ananias et al. 2012)

Parámetro Unidades

Masa (m) kg

Masa de madera anhidra (M0) kg Exceso de aire de ventilación (E) % Calor específico agua (Cpagua) kJ(kg°C)-1 Calor específico aire (Cpaire) kJ(kg°C)-1 Calor específico vapor de agua (Cpvapor) kJ(kg°C)-1 Área de transferencia de calor (A) m2 Calor de evaporización (h) kJkg-1 Cambio de contenido de humedad en las fases de secado (ΔCH) % Contenido de humedad final de la madera (CHf) % Coeficiente de transferencia térmica (U) kJ(m2°C)-1 Calor de inmersión (ΔQs) kJkg-1

Tiempo (t) h

Temperatura (T) °C

Cantidad de vapor que contiene el aire exterior (b) kgkg-1 Cantidad de vapor que absorbe el aire de ventilación (d) kgkg-1 Potencia de los motores de los ventiladores (P) kW Número de ventiladores (n) Un. Fracción de tiempo de uso de los ventiladores (u) % Eficiencia de uso de los motores de los ventiladores (η) %

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4.2.2 Estimaciones de energía de secado

La madera de P. taeda y E. grandis presentan características anatómicas y físicas que hacen que el tiempo de secado y la eficiencia energética sean distintos para ambas especies. La eficiencia de utilización de energía para el secado se estimó en función de la cantidad de agua evaporada y del volumen de madera seca.

Para la madera de pino se observa que el ahorro de energía obtenido por la menor duración del proceso de secado en los espesores menores se pierde por la ineficiencia de carga de la cámara. De esta manera, el consumo de energía térmica para la madera de pino, independientemente del espesor, es aproximadamente 1440 MJm-3. Este rango de demanda de energía es similar a reportado para el secado de Pinus radiata en Nueva Zelanda, 1520 MJm-3 (Li et al. 2006). En Chile, para el secado de P. radiata se estima un consumo de 3000 MJm-3. El rápido crecimiento de esta especie hace que la madera tenga propiedades físicas propias de madera juvenil y por lo tanto, con alto contenido de humedad al momento de secado, estimado en 150% (base seca) (Ananias et al. 2012). Asimismo, el secado de Pinus

strobus de EEUU tiene un consumo de energía térmica estimado entre 1400 y 2000 MJm-3, dependiendo del contenido de humedad inicial de la madera (Shottafer and Shuler 1974) (Tabla 17).

La eficiencia de uso de la energía se calculó estimando la energía térmica necesaria para evaporar 1 kg de agua. Se observó que la madera de pino requiere aproximadamente 4 MJkg-1 agua, mientras que la madera de E. grandis este indicador se encuentra entre 4.6 y 7.4 MJkg-1 agua, dependiendo del contenido de humedad inicial. Esta diferencia entre especies de debe a que el tiempo de secado de E. grandis es mayor, y por lo tanto, las pérdidas de energía durante el secado, pérdida de calor al ambiente y por ventilación, tienen mayor peso en el proceso total. Por lo tanto, el secado de madera de E. grandis es menos eficiente que el secado de pino, con el consiguiente aumento de los costos (Tabla 17).

Tabla 17. Consumo de energía para secar tablas de P. taeda y E. grandis a 10% de contenido de humedad (base seca) de diferentes espesores en las condiciones promedio del invierno en Uruguay (sin fase de acondicionado)8

Especie CHi

base seca

Espesor Tiempo Energía térmica (agua evaporada) Energía térmica Energía circulación de aire (%) (mm) (h) (MJkg-1) (MJm-3) (kWhm-3) P. taeda 100 17 481 4.3 1496 43 25 721 4.4 1527 53 40 961 4.4 1504 70 45 1081 4.4 1535 77 E. grandis 40 25 822 4.6 950 53 40 3603 6.4 1250 251 Verde (60%) 25 4084 7.1 1523 305 38 4804 7.4 1600 342 1

modificado de Boone et al. (1988)

2

Rembado (1987)

3

modificado de Jankowsky et al. (2003)

4

modificado de Redman y McGavin (2008)

8

Esta estimación es una guía para comprar la energía necesaria para el secado de las distintas especies. El consumo de energía depende de los supuestos mencionados en la metodología de cálculo.

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Si se compara la energía total de secado, la suma de la energía térmica más la energía para la circulación de aire, para igual espesor y contenidos de humedad inicial comparables, el secado de eucalipto consume 1.6 veces más energía que el de pino. Esta diferencia se debe a la duración de la operación de secado, sensiblemente mayor para eucalipto. En el consumo de energía eléctrica incide la duración del secado, mayor en eucalipto que en pino, ya que los ventiladores deben operar por más tiempo para hacer circular el aire en las cámaras de secado (Tabla 11 y Tabla 12). Esta relación refleja la importancia de las diferencias entre especies como factor para dimensionar la capacidad de secado.

4.2.3 Combustible para generar la energía para secar madera

En una cadena industrial maderera desarrollada el chip y el aserrín se comercializan como materia prima para la fabricación de tableros de partículas, la fabricación de celulosa, y la producción de energía. En Uruguay, esta última alternativa toma especial importancia debido al nuevo marco regulatorio para la generación de energía eléctrica a partir de biomasa. Por lo tanto, al momento de decidir sobre la oportunidad de secar de la madera, es recomendable considerar que los subproductos de aserrío tienen valor en el mercado, y por lo tanto el secado debe ser eficiente.

La energía necesaria para el secado se divide en dos grandes componentes: la energía térmica para evaporar el agua que contiene la madera y la energía para circular el aire a través de la madera. Habitualmente, el primer componente se produce en generadores de vapor que utilizan chip y aserrín como combustible; a su vez, el segundo componente es energía eléctrica, suministrada por la red.

Un diseño de producción atractivo es la transformación mecánica con utilización de los subproductos para cubrir la demanda de energía térmica para el secado, y aprovechar el superávit para generar energía eléctrica. Esta operación combinada de calor y potencia, llamada cogeneración, es eficiente en el uso de la energía, ya que el vapor utilizado para generar energía eléctrica es condensado en las cámaras de secado, suministrando el calor necesario para la operación (Walker 2006). Si la generación de energía eléctrica con vapor no cuenta con un proceso que permita condensar el vapor, el sistema es ineficiente en el uso del combustible, ya que parte de la energía térmica se pierde en la condensación indispensable para el proceso.

Este estudio propone un sencillo análisis de la energía que se podría obtener de subproductos de la transformación mecánica, chips y aserrín, para generar la energía térmica y eléctrica para secar la madera. Desde el punto de vista de la asignación de valor, es más conveniente transformar el aserrín en energía que el chip, ya que este último tiene mayor valor en el mercado. Se asume que el chip y el aserrín tendrán un contenido de humedad de 60% (base seca), y por lo tanto el poder calorífico de ese material es 10.44 GJt-1 (Francescato et al. 2008). La biomasa necesaria para producir la energía requerida para secar un metro cúbico de tablas de 40 mm de espesor de pino y eucalipto (Tabla 17), considerando una eficiencia de conversión de biomasa a energía de los equipos de 80% para energía térmica y 30% para energía eléctrica, es 250 kg y 580 kg, respectivamente. Por lo tanto, por cada metro cúbico de tablas seco, existe un excedente de subproducto para comercializar o para transformar en energía eléctrica in situ.

El transporte de los subproductos de la transformación mecánica (chips y aserrín) desde las plantas que los generan hasta aquellas que los convierten en energía eléctrica es un

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componente importante del costo de producción. De hecho, la utilización de biomasa forestal para generar energía eléctrica tiene economía de escala negativa: cuanto más grande el proyecto, más antieconómico resulta, porque es necesario traer el combustible desde más lejos (Casado 2013). La opción de la cogeneración, con la cercanía de la biomasa y la eficiencia energética, se observa como una alternativa atractiva. Actualmente, existen en Uruguay proyectos que generan energía eléctrica en esta configuración: Bioener (12 MW), Ponlar (7,5 MW) y Weyerhaeuser (12 MW) (PROBIO 2013b)

5 Evaluar necesidades de equipos en la industria

maderera local

Las necesidades de equipos industriales para transformar mecánicamente la oferta promedio anual del período 2010-2030 de pino y el agrupamiento de especies E. grandis, 3,0 y 1,2 millones de m3, respectivamente, se estimaron bajo los siguientes supuestos:

1. El producto a obtener serán piezas de sección rectangular: tablas, vigas, tirantes, etc., y por lo tanto la transformación mecánica del recurso será mediante aserrado.

2. El producto se secará a un contenido de humedad objetivo entre 10 y 15% en cámaras de secado con vapor como fuente de calor.

3. Se consideraron capacidades de procesamiento de madera en bruto que permitan la rentabilidad de las operaciones.

El procesamiento industrial para la transformación de madera bruta en piezas de sección rectangular incluye los siguientes procesos: clasificación de los trozas en la playa de acopio, descortezado, tronzado, obtención de piezas de sección rectangular mediante aserrado, secado, clasificación de piezas de sección rectangular y embalaje para embarque (Skog 2007).

El tamaño de las operaciones a instalarse en Uruguay para procesar la madera disponible es crítico para la rentabilidad del negocio. Para las condiciones locales, ya en 1996 se destacaba la escasa perspectiva que tendría el desarrollo de pequeños y medianos aserraderos de eucalipto generando productos de escaso valor; para ello, se priorizó la economía de escala, proponiendo la instalación de un aserradero capaz de procesar 300.000 m3año-1 de trozas, generando 135.000 m3año-1 de producto (Ligrone and Pou 1996). Existen numerosas investigaciones recientes que reflejan que la industria de aserrado está sujeta a economía de escala, especialmente en la madera de coníferas; a mayor tamaño de planta de aserrado, mayores beneficios (Mansson 2003). Siguiendo con este razonamiento, para la industria forestal sueca se estimó como óptimo un aserradero que produzca 90.000 m3_año-1_(Mansson

2003). El beneficio del aumento de escala provoca un aumento de la concentración de producción en aserraderos cada vez mayores. En Chile, en el período 1990-2010 se observa una concentración de la producción en aserraderos capaces de producir más de 50.000 m3año

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, pasando del 30% al 64%, y aparecen aserraderos de producciones iguales o mayores a 200.000 m3año-1; al mismo tiempo, desparecen sostenidamente los aserraderos con producciones inferiores a 20.000 m3año-1 (Álvarez et al. 2011). Asimismo, en EEUU y Canadá en el período 2002-2007 la cantidad de aserraderos descendió 16% y la capacidad de producción aumentó 9%, lo que evidencia una concentración de la capacidad de producción (Spelter et al. 2007). Por lo tanto, la industria maderera de Uruguay no permanecerá ajena al fenómeno del aumento de la concentración de procesamiento de madera. Es probable que las plantas de aserrado que se instalen tengan una capacidad de producción mínima que les