Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 26-03-2024. Aprobado tras revisión: 17-06-2024
Forma sugerida de citación: Rosero, M; Muñoz, M; Ayala, J; García, A; Marcilla. A; Zambonino, C; García, N. (2024). “Capacidad
de almacenamiento de energía de materiales lignocelulósicos del Cacao CENACE”. Revista Técnica “energía”. No. 21, Issue I,
Pp. 143-152
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v21.n1.2024.624
© 2024 Operador Nacional de Electricidad,
Esta publicación es de acceso abierto bajo una licencia Creative Commons Reconocimiento –
No Comercial 4.0
Evaluation of the Energy Storage Capacity of Cocoa Lignocellulosic Material
Evaluación de la Capacidad de Almacenamiento de Energía del Material
Lignocelulósico de Cacao
M.V. Rosero1,2
0000-0003-4060-4397
A. García3
0000-0002-4965-5572
M.A. Muñoz1,2
0000-0003-0728-618X
A. Marcilla3
0000-0003-2042-4671
J.A. Ayala1,2
0009-0001-6225-2030
C.E. Zambonino1,2
0009-0007-2953-3619
N.J. García1,2 0009-0000-9466-194X
1Facultad de Ingeniería Química, Universidad Central del Ecuador, Quito, Ecuador.
E-mail: mvrosero@uce.edu.ec; mmb127@alu.ua.es; njgarcia@uce.edu.ec; jaayalam@uce.edu.ec; cezambonino@uce.edu.ec
2Grupo de Investigación en Ingeniería de Procesos Químicos, Biológicos y Físicos (GIIP), Universidad Central del Ecuador,
Quito, Ecuador
E-mail: fiq.giip@uce.edu.ec
3Departamento de Pirólisis y Polímeros, Universidad de Alicante, Alicante, España.
E-mail: angela.garcia@ua.es; antonio.marcilla@ua.es
Abstract
The purpose of this study is to determine the energy
storage capacity of the material obtained from cocoa
husks in a capacitor configuration. The lignocellulosic
material comes from Ecuadorian cocoa harvests used in
agro-industrial processes. Analysis of the volatiles
generated during instant pyrolysis was conducted using
GC/MS technique. Additionally, a comparison of the
capacitor with two different electrolytes was made:
sulfuric acid (H2SO4) and sodium chloride (NaCl). The
material processing involved carbonization and chemical
activation processes, carried out in a pyrolysis reactor
under an inert nitrogen (N2) atmosphere at a heating rate
of 20 °C min-1, and activated at 850 °C in the same
atmosphere for 4 hours. Electrodes were prepared from
this material and tested using cyclic voltammetry to
assess energy storage at different scan rates for five
cycles. The results of the GC/MS analysis and cyclic
voltammetry demonstrated that the prepared secondary
raw material can be used to obtain high-value added
products. The main identified volatile compounds
include phenols, acetic acid, and alcohols. The maximum
potential was 1,1 kW kg-1 with NaCl electrolyte, and the
maximum durability was achieved with H2SO4
electrolyte with a power of 0,29 kW kg-1; these values
were obtained at a scan rate of 100 mV s-1.
Resumen
El objetivo de este estudio es determinar la capacidad de
almacenamiento energético del material obtenido de
cascarilla de cacao en configuración de capacitor. El
material lignocelulósico proviene de la cosecha de cacao
ecuatoriano utilizado en procesos agroindustriales. Se
realizó el análisis de los volátiles generados durante la
pirólisis instantáneo mediante la técnica GC/MS;
además, de la comparación del capacitor con dos
electrólitos diferentes: ácido sulfúrico (H2SO4) y cloruro
de sodio (NaCl). El procesamiento del material se realizó
mediante un proceso de carbonización y otro de
activación por vía química, los cuales se llevaron a cabo
en un reactor de pirólisis en atmósfera inerte de nitrógeno
(N2) a una velocidad de calefacción de 20 oC min-1 y se
activaron a 850 oC en la misma atmósfera por 4 horas. A
partir de este material se prepararon los electrodos y se
probó mediante voltametría cíclica el almacenamiento de
energía a diferentes velocidades de barrido para cinco
ciclos. Los resultados del análisis GC/MS y de
voltametría cíclica demostraron que la materia prima
secundaria preparada puede utilizarse para obtener
productos de alto valor agregado. Los principales
compuestos volátiles identificados corresponden a
fenoles, ácido acético y alcoholes. El máximo potencial
fue de 1,1 kW kg-1 con electrolito de NaCl y, la máxima
durabilidad se logró con electrolito de H2SO4 con una
potencia de 0,29 kW kg-1 estos valores fueron obtenidos
a una velocidad de 100 mV s-1.
Index terms— Cyclic voltammetry, capacitors,
electrodes, storage power.
Palabras clave— Pirólisis, GC/MS, electrodos,
voltametría cíclica, capacitores.
143
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
1. INTRODUCCIÓN
Ecuador es un actor importante en el mercado del
cacao, siendo el sexto exportador mundial de cacao a
partir de 2019 [1]. La superficie agrícola dedicada al
cultivo de cacao en Ecuador constituye el 4 % del uso
total de la tierra, lo que la convierte en la mayor
superficie dedicada a un cultivo permanente en el país.
También, produce: café, caña, banano, maderas como
balsa, laurel y productos agrícolas tan variados como
flores, camarón, teca entre muchos otros, estos datos se
presentan en la Fig. 1 [2].
Figura 1: Información macroeconómica agropecuaria [2]
Actualmente estos productos se han diversificado,
pasando por hortalizas, maderas, flores, hasta conservas
y productos terminados del mar, los que se muestran en
la Fig. 1. Tras la perforación del primer pozo de petróleo
en el año 1911 [3], Ecuador baso su economía en este
producto; sin embargo, desde 2008 a 2017 se produjo un
avance significativo en el potencial energético hídrico de
forma sostenible. Este escenario permite pensar en un
cambio de la economía basada en la producción petrolera
como primer rubro de ingresos por exportación, a una
economía post petrolera basada en la conversión de
productos considerados materias primas a uno de
productos terminados con la implementación de procesos
que agreguen valor a estas.
El estudio “Atlas Bioenergético del Ecuador” [4]
publicado por el Ministerio Coordinador de Producción,
Empleo y Competitividad (MCPEC), proporciona
información acerca de las principales biomasas
generados por el sector agrícola, mencionando productos
como: arroz, banano, cacao, café, caña de azúcar, maíz
duro, palma africana, palmito, piña y plátano. Según el
informe, en Ecuador, los cultivos con mayor potencial
energético y más altos volúmenes de producción de
residuos son la palma africana y el cacao. La palma
africana produce aproximadamente 6,9 millones de
toneladas de residuos al año, lo que equivale a la energía
de 653 millones de galones de diésel. Por su parte, el
cacao genera alrededor de 2 millones de toneladas de
residuos anualmente, equivalente a 101 millones de
galones de diésel [5].
1.1 Cascarilla de Cacao (Theobroma cacao)
El cacao pertenece al Orden Malvales, a la familia
Esterculiacea, al género Theobroma y la especie de
Cacao. Proviene de una semilla con una raíz que puede
alcanzar entre 1,20 y 1,50 m. Su tronco crece
verticalmente entre 3 y 12 m dependiendo de la especie.
Su fruto es producto de la floración distribuido en el
tronco y ramas del arbusto.
Crece en una topografía plana u ondulada, debe
evitarse los suelos arcillosos, arenosos y el mal drenado
o la presencia de rocas, entre los factores críticos para el
cultivo se encuentran la temperatura y la lluvia, esta
especie de árboles requiere que le proporcionen sombra
.para su óptimo desarrollo, en Ecuador se cultiva el fruto
de cacao presentado en la Fig. 2 a una altitud inferior a
1250 m [6].
Figura 2: Cultivo de Cacao Nacional Fino de Aroma, Hacienda
“Lucía”, Cantón Mocachi, Provincia Los Ríos
El cacao es uno de los frutos más apetecidos en el
mundo. Es cultivado en la mayoría de los países
tropicales, los cuales tienen ambientes calientes y
húmedos entre los 20o latitud norte y los 20o latitud sur
de la línea ecuatorial [7]. En noviembre de 2023 se
evidenció que la producción cacaotera mundial llegó a
4,9 millones de toneladas, crecimiento que responde en
mayor medida a un incremento en la superficie sembrada
más que a una variación de los rendimientos.
Los países de mayor producción en los últimos tres
años en el mundo se presentan en la Tabla 1, se muestra
que el continente africano cuenta con un volumen de
producción del 73,4 %, según el portal de la
Organización Mundial del Cacao.
Tabla 1: Países con mayor producción de cacao (International
Cocoa Organization, 2023)
Continente/
Países
Producción en
miles de
toneladas
2020/21
Producción en
miles de
toneladas
2021/22
Producción en
miles de
toneladas
2022/23
África
4056
77,0 %
3589
74,0 %
3634
73,4 %
Camerún
292
295
290
Costa de
Marfil
2248
2121
2180
Ghana
1047
683
680
Nigeria
290
280
280
144
Rosero et al. / Capacidad de almacenamiento de energía de materiales lignocelulósicos del Cacao
Tabla 2: (Continuación). Países con mayor producción de cacao
(International Cocoa Organization, 2023)
Otros
178
210
204
América
935
18,0 %
973
20,0 %
1052
21.2 %
Brasil
200
220
220
Ecuador
365
365
440
Otros
369
388
392
Asia y
Oceanía
254
5,0 %
265
5,0 %
268
5,4 %
Indonesia
170
180
180
Papua Nueva
Guinea
42
42
42
Otros
42
43
46
El cacao es uno de los principales productos de
exportación del Ecuador. La mayor producción se centra
en las provincias de Guayas, Los Ríos, Manabí,
Esmeraldas y El Oro; sin embargo, existe un crecimiento
en su producción, aun marginal en las provincias
orientales del país.
En el país se producen dos variedades de cacao:
Cacao Nacional Fino de Aroma y el CCN-51. Los
cultivos de cacao han presentado una tendencia creciente
de acuerdo con los datos presentados por el Instituto
Nacional de Estadística y Censos (INEC); en 2007 la
superficie plantada fue de 422985 hectáreas (ha), y en
2022 de 591557 ha, se observa un aumento aproximado
del 40 % de la superficie plantada en los últimos 15 años;
valor que se mantiene hasta la actualidad con un 41,3 %
de la superficie total de cultivo nacional [8].
1.2 Subproducto sin Finalidad Económica
La cosecha de cacao tiene como componente de
desecho la estructura tanto de meso y exocarpio de la
fruta presentado en la Fig.3. Este residuo representa más
del 60 % en peso de la fruta en base húmeda y no tiene
ningún fin económico en Ecuador, generando más de
195000 toneladas anuales de desechos que normalmente
se queman para reducir su volumen.
La gran variedad de flora y fauna del Ecuador, con un
notable incremento de producción agroforestal, genera
ambientes donde se debe encontrar soluciones a los
crecientes depósitos de desechos de estos subproductos.
Figura 3: Exo y meso carpio de Cacao Nacional Fino de Aroma,
Hacienda “Lucía”, Cantón Mocachi, Provincia Los Ríos
1.3 Materia Prima Secundaria
Un enfoque que se está explorando es el uso de
cascarilla de cacao para la producción de carbón
activado, el cual tiene numerosas aplicaciones en las
industrias química, farmacéutica y medioambiental.
La biomasa, debido a su dispersión geográfica y su
ubicación distante de los principales centros de consumo,
así como su baja densidad energética y variabilidad, se
beneficia de un proceso de transformación. Este proceso
convierte la biomasa en un producto más homogéneo,
facilitando su transporte, distribución y almacenamiento,
aumentando su valor [9]. Estos materiales residuales
constituyen un papel importante en la sostenibilidad
ambiental, en la gestión de recursos y en la economía
circular; cuando se aplica dichos procesos de
transformación a estos materiales, aumenta su utilidad,
rentabilidad y se reconocen como materias primas
secundarias.
El tratamiento térmico de la biomasa ha tomado
mucha vigencia por el potencial tanto energético como de
reducción de residuos. Se ha realizado trabajos que van
desde la caracterización de las biomasas, su tratamiento
térmico y la valoración de las cantidades de cada
corriente. La valoración por pirólisis, estudiada en
“Leaves and Characterization of Products” en 2022 [10]
presenta rendimientos máximos de bio-aceite de 44,7 %
a 550 °C, biogas 36,67 % a 650 °C y de 36,82 para el
carbón a 350 °C, obtenidos con una velocidad de
calentamiento de 25 °C min-1. La caracterización de las
distintas fracciones arroja como resultados generales la
presencia de compuestos alifáticos, fenólicos y otros
compuestos ácidos en la composición del bio-aceite y una
estructura porosa del carbón que puede servir como
micronutriente.
En la actualidad se está estudiando el uso de las
materias primas secundarias de la producción de cacao
para la generación de energía renovable, con proyección
para reducir el potencial de calentamiento global y
aumentar la calidad del ecosistema [11].
1.4 Almacenamiento Energético
El almacenamiento de energía se ha convertido en un
aspecto crucial de los sistemas energéticos modernos, ya
que permite la integración eficaz de fuentes de energía
renovables intermitentes, la gestión de la carga y la
estabilidad de la red. Los sistemas tradicionales de
almacenamiento de energía, como las baterías de iones
de litio, se enfrentan a problemas de disponibilidad de
recursos, impacto ambiental y limitaciones de capacidad.
En este contexto, los carbones activados obtenidos por
pirólisis de materiales lignocelulósicos han surgido como
una solución prometedora debido a su abundante
suministro y siendo una alternativa para el
aprovechamiento de materias primas secundarias.
145
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
El gráfico de Ragone de la Fig. 4, establece que cada
dispositivo de almacenamiento energético tiene una zona
particular en la que se encuentra, lo que indica las
diferencias entre unos y otros, por ejemplo, las baterías
alcanzan densidades energéticas cercanas a 100 Wh kg-
1, mientras que los condensadores convencionales y
electroquímicos presentan un valor medio de 1 Wh kg-1,
sin embargo, los dos tipos de condensadores presentan
valores de potencia más elevados [10].
Figura 4: Gráfico de Ragone [9]
Los primeros estudios de capacitores electroquímicos
(CE) a partir de materiales carbonosos se remontan a la
década de 1950. Sin embargo, su desarrollo acelerado y
relevante se ha realizado en los últimos años a nivel
mundial. En la actualidad, se evidencia que los carbones
activados derivados de cáscaras y vainas de cacao son
ampliamente utilizados como posibles adsorbentes y
materiales de almacenamiento de energía. Se ha
demostrado que la pirólisis y la activación química de los
residuos lignocelulósicos del cacao pueden producir
carbones activados de alta superficie con excelentes
propiedades electroquímicas y de adsorción [12].
El estudio realizado por Yetri [13] muestra que el
carbón activado derivado de las vainas de cacao puede
sintetizarse en monolitos y utilizarse como electrodos de
supercondensadores con una elevada capacitancia
específica. El electrodo de carbón se ha fabricado
utilizando activadores de hidróxido de potasio (KOH) a
concentraciones de 0,3 M y 0,4 M a 700 °C, obteniéndose
una capacitancia específica de 90,2 F g-1 con una
densidad de 0,850 g cm-3 para la concentración de 0,3 M
y de 140,2 F g-1 con una densidad de 0,802 g cm-3 para
la concentración de 0,4 M. Por otro lado, se analizó un
estudio que muestra la producción de carbón activado a
partir de residuos de piel de cacao para su uso como
electrodo de supercondensador, logrando una
capacitancia específica óptima de 120 F g-1 [14].
Dada la magnitud de los avances realizados a nivel
global, es imperativo llevar a cabo estos estudios en el
país, teniendo en cuenta las características específicas de
esta región y las cantidades de residuos generados. Esto
permitirá desarrollar soluciones adecuadas a las
necesidades locales y, al mismo tiempo, considerar la
implementación de estas tecnologías a nivel nacional.
Dichas tecnologías pueden proporcionar
almacenamiento energético a bajo costo y con efectos
favorables para el medio ambiente, abriendo nuevas
posibilidades en el campo de interés. Esta iniciativa
mejorará la integración de los sistemas energéticos y
económicos a nivel global.
2. METODOLOGÍA Y REACTIVOS
2.1 Tratamiento Previo y Elaboración de
Electrodos
El tratamiento de la biomasa de cacao consiste en la
aplicación de un proceso térmico y uno de activación. En
la primera parte se carboniza la biomasa en un reactor de
pirólisis con atmósfera inerte de nitrógeno a una
velocidad de calefacción de 20 oC min-1, y posterior a
ello se realiza la activación química con K(OH) en
proporción 3:1 a una temperatura de 850 oC, con lo que
se obtiene el producto de interés conocido como carbón
activado. Se forma una pasta homogénea con el producto
obtenido y una sustancia aglomerante, posterior a ello se
elabora los electrodos circulares para ser montados en el
portaelectrodos, el cual va a ser valorado mediante una
prueba electroquímica de voltametría cíclica a diferentes
velocidades de barrido a lo largo de cinco ciclos.
2.2 Pirólisis EGA/Py-GC/MS
La pirólisis analítica se realizó en un pirolizador
Multi-Shot EGA/Py 3030D conectado en línea a un
cromatógrafo de gases (modelo Agilent 6890B) con
detector de espectrómetro de masas (modelo Agilent
5973 MSD). El pirolizador consta de un reactor de cuarzo
rodeado por un horno cerámico capaz de calentar hasta
1050 °C. Se coloca la cantidad pesada de muestra
(alrededor de 0,1 mg) en el portamuestras que ingresa al
reactor de cuarzo en caída libre. Previamente se calienta
el reactor a la temperatura de operación seleccionada y se
produce una pirólisis flash de la muestra. Los volátiles
desprendidos durante 12 s se conducen la columna de
gases a través de una interfaz calentada a 300 °C. El
espectrómetro de masas actúa como detector.
Las pruebas de pirólisis se llevaron a cabo bajo seis
temperaturas diferentes en el rango de 250 a 850 °C. La
columna de cromatografía utilizada fue “HP-5MS UI”
(30 m x 250 μm x 0,25 μm) y las condiciones de
operación seleccionadas fueron: flujo de helio en la
columna: 2 mL min-1, modo de inyección: dividida
(1:50), temperatura del inyector: 280 °C, temperatura
inicial del horno: 45 °C por 5 min, velocidad de
calentamiento: 12 °C min-1 y temperatura final: 285 °C
por 10 min.
2.3 Configuración de Capacitor
Se usó una configuración de capacitor simétrico en
electrolito acuoso (Fig. 5). El cual está constituido por un
146
Rosero et al. / Capacidad de almacenamiento de energía de materiales lignocelulósicos del Cacao
electrodo positivo, uno negativo, dos colectores de
corriente, una membrana y electrolito.
Los electrodos se prepararon con carbón activado
(CA’s), negro de acetileno y politetrafluoroetileno
(PTFE). Se cortaron en forma de discos de
aproximadamente 4 mg y 5 mm. Un extremo se conectó
al terminal anódico (negativo) enfrentando con el otro
extremo del terminal catódico (positivo), se utilizó un
adhesivo conductor para unir el electrodo con el colector
de corriente de acero inoxidable separados por una
membrana de Nylon de 0,45 μm impregnado con una
solución acuosa de ácido sulfúrico 1 M (H2SO4) y de
cloruro de sodio (NaCl).
Figura 5: Gráfico de la configuración de una celda electroquímica
Para las pruebas de caracterización se definió como
variable independiente el potencial suministrado entre los
valores máximo y mínimo a lo largo de los cinco ciclos,
y como variable dependiente la intensidad de corriente.
Las variables de control consideradas en este estudio son
el peso del electrodo y las velocidades de barrido.
2.4 Caracterización Electroquímica
La caracterización electroquímica se evaluó mediante
voltamperometría cíclica a velocidades de barrido de 5,
10, 20, 50 y 100 mV s-1, esta técnica consiste en hacer
pasar la corriente por el electrodo de trabajo en un
determinado potencial. Los valores obtenidos son de
capacitancia y potencia específica, los cuales se
calcularon a partir de las ecuaciones (1) y (2)
respectivamente.
(1)
Donde C, es la capacitancia específica, V es el
voltaje, I la intensidad, ventana de potencial, a es la
velocidad de barrido y m la masa del electrodo [15].
(2)
Se definen la variable P como potencia específica, los
elementos de la ecuación (2) fueron obtenidos y definidos
previamente en base a la ecuación (1).
Los dispositivos fueron expuestos a numerosos ciclos
de carga-descarga, a una densidad de corriente y a un
potencial definido con el fin de valorar su
almacenamiento energético y estabilidad. Se usó el
Potenciostato Galvanostato CS serie de Correst
Instrument, el rango de voltaje de 0,8 V con una
velocidad de exploración de 5, 10, 20, 50 y 100 mV s-1.
En el desarrollo de los análisis experimentales, se ha
examinado la influencia de diversos factores en los
resultados obtenidos. El primer elemento considerado es
la superficie de contacto electrodo-electrolito, en dónde
se da la transferencia electrónica; la eficiencia en la
misma puede generar cambios en la forma del voltagrama
cíclico. Otro factor que se considera es la adherencia de
los electrodos a los colectores de corriente, lo que puede
generar interferencias en las mediciones. El grosor de los
electrodos puede cambiar entre las pruebas realizadas,
esta variación de medida puede ocasionar dos escenarios:
el primero, que el grosor puede ser excesivo lo que
dificulta la velocidad de difusión, mientras que el otro
escenario con un grosor muy delgado puede afectar la
durabilidad y estabilidad mecánica del electrodo debido
a una falta de continuidad en el material.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Pirólisis analítica (Py/EGA-GC/MS)
Las muestras estudiadas han sido sometidas a pirólisis
instantánea, con el fin de comparar los procesos de
descomposición que sufren las muestras en diferentes
temperaturas.
La Fig. 6 muestra el cromatograma de productos
volátiles de pirólisis instantánea de la cascarilla de cacao
a diferentes temperaturas. Se observa pocos productos
volátiles a temperaturas a los 200 °C siendo el principal
el CO2. El número de productos volátiles identificados
es mayor a 300, 400, 500, 600 y 800 °C, lo que se debe a
las diferentes reacciones primarias y secundarias
producidas por el craqueo térmico; sin embargo, el
comportamiento es particular para cada biomasa. El
efecto de la temperatura de pirólisis en la distribución del
producto ha sido reportado en varios estudios, así como
los tipos de biomasa y/o configuraciones del reactor [1],
[2]. La temperatura a la que se produce el mayor número
de compuestos volátiles es 450 °C, un comportamiento
similar se observa en el estudio de Muñoz y col, 2024 [3].
Este tipo de análisis no permite comparar
directamente rendimientos entre diferentes especies, pero
sí la evolución de los rendimientos de un mismo
compuesto en diferentes condiciones.
147
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
Figura 6: Comparación de cromatogramas de residuos de
cascarilla de cacao obtenidos a distintas temperaturas de pirólisis
Los principales grupos funcionales identificados
pertenecen a compuestos oxigenados, hidrocarburos
saturados, fenoles y en bajos porcentajes a aldehídos,
esteres e hidrocarburos aromáticos. Los compuestos
oxigenados incluían ácidos orgánicos, aldehídos, cetonas
y fenoles. Siendo el dióxido de carbono (CO2) el de
mayor porcentaje respecto al resto de componentes. Los
demás compuestos que tuvieron mayor porcentaje son
fundamentalmente: 2-metoxi-fenol, 2,3-dimetil-piridina,
3-metil-1,2-ciclopentanediona, 2,6-dimetoxi-fenol,
2-butanol, maltol, 3,4-dihidroxiacetofenona, 3-
metilfenol, 2-metoxi-5-metilfenol, 2,3-dimetil-
ciclohexanol y 2-metoxi-4-hidroxi-2,7-dimetil-4-
octanona [3], [4], [5], [6].
La Fig. 7 compara el porcentaje de área de estos
grupos para cada muestra a las temperaturas estudiadas,
se excluye las temperaturas de 250 y 350 °C, ya que como
se observa en la Fig. 6, no se presenta pocos productos
volátiles generados, siendo compuestos con peso
molecular menor a 110, formados principalmente por
CO2 y agua.
Figura 7: Área relativa total de los volátiles a partir de
pirólisis instantánea de la cascarilla de cacao a diferentes
temperaturas
3.2 Electrolito de Ácido Sulfúrico
La Fig. 8 presenta las curvas de voltamperometría
cíclica para los electrodos de carbón activado a
velocidades de barrido 5, 10, 20, 50 a 100 mV s-1,
respectivamente. Las curvas CV a 5 mV s-1 de los
electrodos, presentaron una forma ovalada, elongada y
estrecha, sin presencia de picos de oxido-reducción, a
esta velocidad se presenta un área de potencial un 30 %
más amplia que en las demás velocidades de barrido. Al
incrementar la velocidad de barrido a 10 mV s-1 se
observa una disminución de la inclinación, variando
ligeramente en los ciclos sucesivos, además, se
experimenta una pérdida gradual a velocidades más altas
indicando una estabilidad razonable. Formas similares de
voltagramas de carga y descarga se presenta en el estudio
“Evaluación de la capacidad de almacenamiento de
energía en xerogeles de carbono activados obtenidos a
partir de lignina” [16]. La muestra demostró una mayor
retención de la energía, que es atribuible a un aumento de
la presencia de mesoporos, de acuerdo con un estudio
realizado que indica el uso de la celda simétrica
ensamblada con dos electrodos de PPy-(SO4)2−/MnO2,
el cual exhibió valores de energía y potencia específica
de 1,4 Wh kg−1 y 34 W kg−1, alcanzando una estabilidad
cíclica del 62 % después de 1000 ciclos de carga-
descarga, para la velocidad de 5 mV s-1, presentando una
forma cuasi-rectangular que indica un comportamiento
capacitivo y reacciones redox reversibles relacionadas
con el dopado/dedopado de los iones sulfato en las
cadenas del polímero [17].
Figura 8: Voltagrama – Electrodos de cacao. Comparativo de
velocidades de barrido
La Tabla 2 y 3 presenta un comparativo de los datos
del voltagrama para las velocidades de barrido de 5, 10,
20, 50 y 100 mV s-1 de 5 cíclicos. Se observa que la
capacitancia inicial de 26,74 F g-1 disminuye
ligeramente en ciclos sucesivos, indicando una
estabilidad razonable. A 10 mV s-1, la capacitancia
inicial de 18,54 F g-1 experimenta una pérdida gradual,
pero se estabiliza después del Ciclo 2. La velocidad de 20
mV s-1 muestra una adaptación más pronunciada, con
una capacitancia inicial de 10,48 F g-1 y una disminución
continua. Con los valores de 50 mV s-1 y 100 mV s-1,
con capacitancias iniciales de 6,01 F g-1 y 3,66 F g-1
respectivamente, se observa una pérdida gradual que se
estabiliza después del Ciclo 2, sugiriendo una adaptación
eficiente a tasas de barrido más altas.
148
Rosero et al. / Capacidad de almacenamiento de energía de materiales lignocelulósicos del Cacao
Estos resultados subrayan la influencia de la
velocidad de barrido en la capacitancia del electrodo de
cacao, con implicaciones para la optimización de
condiciones en aplicaciones de almacenamiento de
energía. Se observan los valores obtenidos mediante las
ecuaciones (1) y (2) utilizando los datos del voltagrama
cíclico, representado en la Fig. 8. Se evidencia que los
valores de la capacitancia son más altos conforme el área
de la curva de carga-descarga es más amplia, por tanto,
hay una relación directa, a diferencia de la potencia
específica que presenta un valor mayor con la menor
área. Los valores calculados se encuentran en el rango de
90 y 140 F g-1, los cuales son similares a otros trabajos
de investigación[18].
Tabla 3: Capacitancia del capacitor electroquímico de Cacao
con H2SO4
Capacitancia, F g-1
Velocidad de
barrido,
mV/s
Ciclo 1
Ciclo 2
Ciclo 3
Ciclo 4
Ciclo 5
5
26,74
26,65
26,31
25,91
25,37
10
18,54
16,90
16,53
16,24
15,97
20
10,48
9,98
9,82
9,71
9,59
50
6,01
5,03
4,93
4,88
4,84
100
3,66
2,94
2,86
2,83
2,81
Figura 9: Curva de capacitancia en función de la velocidad de
barrido para electrodos de Cacao con H2SO4
Tabla 4: Potencia del capacitor electroquímico de Cacao con
H2SO4
Potencia, kW kg-1
Velocidad de
barrido,
mV/s
Ciclo 1
Ciclo 2
Ciclo 3
Ciclo 4
Ciclo 5
5
0,107
0,106
0,105
0,103
0,101
10
0,157
0,143
0,140
0,137
0,135
20
0,167
0,159
0,157
0,155
0,153
50
0,240
0,201
0,197
0,195
0,193
100
0,293
0,235
0,228
0,226
0,224
3.3 Electrolito de Cloruro de Sodio
En la Fig. 10, se presentan las curvas de
voltamperometría para el electrodo de cacao en presencia
del electrolito de cloruro de sodio. Las velocidades de
barrido de 5, 10, 20, 50 y 100 mV s-1 respectivamente.
Las curvas de carga y descarga que aquí se observan,
también presentan formas ovaladas, estrechas y
elongadas sin presencia de picos de oxido-reducción. En
el caso del electrolito de cloruro de sodio, se evidencia
que el área de menor tamaño es a una velocidad de
barrido de 5 mV s-1, y a medida que aumenta la
velocidad de barrido, el área también aumenta. Cuando
el área es más grande, significa que existe una mayor
capacidad de carga, densidad de energía y capacidad de
corriente, lo que sugiere que el electrodo alcanza mayor
estabilidad y capacidad de almacenamiento de energía
cuando aumenta el número de ciclos.
Figura 10: Voltagrama – Electrodos de cacao. Comparativo de
velocidades de barrido
En la Tabla 4 y 5, se muestran los resultados
calculados a través de la ecuación (1) y (2), empleando
los datos del voltagrama cíclico representados en la Fig.
8. Se observa claramente que los valores de capacitancia
son más elevados a medida que el área bajo la curva de
carga-descarga se vuelve más extensa, lo que indica una
relación directa. En contraste, la potencia específica
exhibe un valor superior cuando el área es menor. A pesar
de que los capacitores proporcionan una capacitancia
significativamente mayor en comparación con los
condensadores convencionales, su voltaje suele ser
limitado, generalmente en un rango de 0,5 a 2,7 V [19].
La velocidad de barrido de 5 mV s-1 presenta una
capacitancia de 62,18 F g-1 y aumenta a 66,72 F g-1 en
el quinto ciclo, mientras que a partir de la velocidad de
barrido de 10 mV s-1, la capacitancia disminuye del
primer al quinto ciclo y se encuentra una mayor
estabilidad a partir del segundo ciclo en todas las
velocidades de barrido, localizando una variación entre
ciclos menor a 0,3 F g-1. También se obtiene que la
capacitancia disminuye aproximadamente un 20 %
cuando aumenta la velocidad de barrido; esto ocurre en
cada caso con relación a la anterior velocidad utilizada.
Por otra parte, la potencia específica es directamente
proporcional a la velocidad de barrido y al área de las
curvas CV; el aumento de potencia es de
aproximadamente 20 % en cada velocidad de barrido.
149
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
En la Tabla 5 se evidencia un incremento del primer
al quinto ciclo en la velocidad de barrido de 5 mV s-1,
mientras que a partir de la velocidad de barrido de 10 mV
s-1, la potencia disminuye en cada ciclo y existe mayor
estabilidad a partir del segundo ciclo con una variación
de apenas 0,2 kW kg-1.
Tabla 5: Capacitancia del capacitor electroquímico de Cacao
con NaCl
Capacitancia, F g-1
Velocidad
de
barrido,
mV/s
Ciclo 1
Ciclo 2
Ciclo 3
Ciclo 4
Ciclo 5
5
62,18
64,52
65,57
66,26
66,72
10
49,67
48,21
47,99
47,92
47,89
20
35,12
32,68
32,40
32,32
32,32
50
22,30
18,83
18,51
18,40
18,35
100
14,61
11,99
11,82
11,75
11.70
Figura 11: Capacitancia en función de la velocidad de barrido
para electrodos de Cacao con NaCl
Tabla 6: Potencia del capacitor electroquímico de Cacao con
NaCl
Potencia, kW kg-1
Velocidad de
barrido,
mV/s
Ciclo 1
Ciclo 2
Ciclo 3
Ciclo 4
Ciclo 5
5
0,249
0,258
0,262
0,266
0,267
10
0,483
0,422
0,420
0,419
0,419
20
0,561
0,522
0,517
0,516
0,516
50
0,8912
0,752
0,739
0,735
0,689
100
1,104
0,958
0,944
0,938
0,935
Al comparar los resultados con los electrolitos
H2SO4 y NaCl en el capacitor electroquímico de cacao,
se evidencia una clara superioridad de NaCl en términos
de capacitancia. A una velocidad de barrido de 5 mV s-
1, la capacitancia con NaCl es más del doble que la
obtenida con H2SO4 (62,18 F g-1 vs. 26,74 F g-1). Esta
tendencia se mantiene consistente a lo largo de todos los
niveles de velocidad de barrido. Además, al evaluar la
conservación de la capacitancia entre ciclos, los
porcentajes indican una mayor estabilidad con NaCl. El
ciclo 5 a 5 mV s-1 de NaCl conserva el 93,1 % de su
capacitancia inicial, mientras que H2SO4 solo conserva
el 94,5 %. Estos datos subrayan que el electrolito de NaCl
es mejor, demostrando no solo una mayor capacitancia
inicial, sino también una mayor estabilidad a lo largo de
múltiples ciclos [20].
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los residuos de cacao son tratados mediante pirólisis
para generar productos como: biocarbón y compuestos
volátiles con valor agregado. La mayor cantidad de
productos volátiles se obtienen a 450 °C, entre los cuales
se producen mayormente fenoles, ácidos orgánicos,
alcoholes y dióxido de carbono, y en menor cantidad
aldehídos, hidrocarburos saturados y aromáticos.
El carbón obtenido de cascarilla de cacao y activado
químicamente demostró que sirve como material para
almacenar energía. La máxima potencia almacenada fue
de 1,1 kW kg-1 a 100 mV s-1 con electrólito de NaCl, y
la máxima potencia para el electrolito de H2SO4 fue de
0,29 kW kg-1. Se comparó los resultados obtenidos de la
potencia con el Diagrama de Ragone (Fig. 3),
localizándose en la zona de condensadores
electroquímicos. El electrolito NaCl utilizado para el
capacitor mostró una mayor capacidad de
almacenamiento de energía con un valor de 62,18 F g-1
comparado con el electrolito de H2SO4 que tiene un
valor de 26,74 F g-1. El capacitor con electrolito de NaCl
tiene menos estabilidad, mientras que para el capacitor
con electrolito de H2SO4 la estabilidad entre ciclos es
mayor.
Para demostrar la durabilidad de los electrodos a
largo plazo se recomienda incrementar el número de
ciclos. Los datos presentados en esta investigación se
convierten en una línea base para futuros estudios de
estabilización del material y dopado mediante elementos
de dopado como fósforo o nitrógeno.
5. AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al Grupo de Investigación en Ingeniería
de Procesos Químicos, Biológicos y Físicos (GIIP) de la
Universidad Central del Ecuador y al Departamento de
Pirólisis y Polímeros de la Universidad de Alicante.
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equilibrium studies,” Chemical Engineering
Research and Design, vol. 90, no. 10, pp. 1480–
1490, Oct. 2012, doi: 10.1016/j.cherd.2012.01.017.
Marco Vinicio Rosero Espín. -
Nació en Esmeraldas, Ecuador en
1978. Recibió su título en Ingeniería
Química en el año 2008.
Actualmente se encuentra cursando
sus estudios de doctorado en la
Universidad de Alicante, y su
campo de investigación se encuentra
en los procesos térmicos y electroquímica.
151
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
Morayma Angélica Muñoz Borja.
- Nació en Quito, Ecuador en 1992.
Recibió su título en Ingeniería
Química en el año 2017.
Actualmente se encuentra cursando
sus estudios de doctorado en la
Universidad de Alicante, y su
campo de investigación se
encuentra en pirólisis y fenómenos de transporte.
Jessenia Antonia Ayala Meza. -
Nació en Quito, Ecuador en 1997.
Obtuvo su título de Ingeniera
Química de la Universidad Central
del Ecuador en 2023. Su campo de
investigación se encuentra en
procesos térmicos y
electroquímicos con fines
energéticos.
Angela García Cortes. - Nació en
Alicante, España. Recibió su título
doctoral en la Universidad de
Alicante en el año 1993. Su campo
de investigación se encuentra en
pirólisis y fenómenos de transporte.
Antonio Marcilla Gomis. - Nació
en Alicante, España. Recibió su
título doctoral en la Universidad de
Alicante el año 1982. Su campo de
investigación se encuentra en los
procesos térmicos y fisicoquímica.
Carla Estefanía Zambonino
Sunta. - Nació en Latacunga,
Ecuador en 2001. Actualmente es
estudiante de la carrera de
Ingeniería Química en la
Universidad Central del Ecuador.
Su campo de investigación se
relaciona con los procesos
termoquímicos y su aplicación con fines energéticos.
Najhely Judith García Carrión. -
Nació en Loja, Ecuador en 2001.
Actualmente es estudiante de la
carrera de Ingeniería Química en la
Universidad Central del Ecuador.
Su campo de investigación se
relaciona con los procesos
termoquímicos y su aplicación con
fines energéticos.
152
