Valorització energètica de residus (waste to energy)

Valorització energètica de residus: waste to energy

La valorització energètica de residus, també coneguda com a waste to energy, és un procés mitjançant el qual diferents tipus d’abocaments es transformen en energia. En lloc de simplement llençar els residus en abocadors o incinerar-los sense obtenir cap benefici addicional, la valorització energètica busca convertir aquests residus en una font d’energia útil, com electricitat, calor o biogàs.

A més de generar energia renovable, la valorització energètica de residus ofereix altres beneficis addicionals, ja que es redueix la quantitat de residus que arriben als abocadors i disminueixen les emissions de gasos d’efecte hivernacle evitant la descomposició anaeròbica dels residus en abocadors.

La valorització energètica de residus no s’ha de considerar com una alternativa a la reducció dels residus generats i al seu reciclatge, ja que és preferible no tenir residus a veure’s en la necessitat de transformar-los. La valorització energètica s’ha de veure com un complement a aquests esforços, especialment per a aquells residus que no es poden reciclar fàcilment o que no són biodegradables.

L’auge en les polítiques d’economia circular ha comportat un augment en la implantació de plantes de tractament de residus que permetin la seva transformació en energia. En tots els casos, ens trobem amb un doble objectiu:

• Trobar una forma més eficient de gestionar els residus
• Obtenir una nova font d’abastiment energètic, que contribueixi a reduir la dependència energètica

Tecnologies de Valorització Energètica

Hi ha nombrosos tipus de residus que poden ser utilitzats com a combustible per a la seva valorització energètica, entre els quals destaquen:

• Residus sòlids urbans (RSU).
• Els residus generats en processos industrials.
• La biomassa forestal i agrícola destinada a la generació d’electricitat.
• Les dejeccions ramaderes i residus agroindustrials per a la generació de biogàs.
• La biomassa destinada a biocarburants.

Hi ha diferents tecnologies de valorització energètica, que es poden classificar en processos biològics i processos tèrmics.

Els primers es podran aplicar quan el residu posseeixi una important fracció biodegradable. En canvi, els processos tèrmics seran viables quan el poder calorífic del residu, que es mesura mitjançant el poder calorífic inferior (PCI), sigui mitjà o alt.

Els processos de valorització energètica més habituals són els següents:

Biometanització

La biometanització és un procés biològic que es duu a terme en absència d’oxigen en el qual intervé una població heterogènia de microorganismes. Mitjançant aquest procés s’aconsegueix transformar la fracció més degradable de la matèria orgànica en biogàs, que és una barreja de gasos formada principalment per metà i diòxid de carboni i per altres gasos en menor proporció (vapor d’aigua, CO, N₂, H₂, H₂S, etc.).

El biogàs és una barreja de diòxid de carboni, metà i altres gasos minoritaris (H2S, etc.), que després de ser sotmès a un procés de rentat, pot ser utilitzat per produir energia elèctrica mitjançant un procés de cogeneració. El biogàs és una font d’energia, ja que és un gas combustible d’elevada capacitat calorífica (5.750 kcal/m3), la qual cosa permet el seu aprofitament energètic en motors de cogeneració, calderes i turbines (generant electricitat, calor o com a biocarburant).

El tipus de material a digerir influeix en gran mesura en el rendiment i en la composició del biogàs obtingut. Per a una producció màxima és preferible utilitzar residus rics en greixos, proteïnes i hidrats de carboni ja que la seva degradació comporta la formació de quantitats importants d’àcids grassos volàtils, precursors del metà.

L’energia calorífica residual del procés pot ser recuperada i, en part, utilitzada per concentrar les aigües residuals que es generen, mitjançant un procés d’evaporació-concentració al buit. El resultat serà una aigua d’alta qualitat i un residu molt concentrat.

La biometanització és un procés adequat per al tractament i valoració de residus agrícoles, ramaders i urbans, així com per a l’estabilització de fangs procedents del tractament d’aigües residuals urbanes.

Piròlisi

La piròlisi és un procés tèrmic que consisteix a transformar la matèria orgànica en altres compostos més fàcils de tractar.

La piròlisi, que es duu a terme a elevada temperatura (entre 300 i 800 ºC) i en absència d’aire, consisteix en la degradació tèrmica d’un material en absència d’oxigen afegit, per la qual cosa la descomposició es produeix mitjançant calor, sense que es produeixin les reaccions de combustió. Les característiques bàsiques d’aquest procés són:

• L’únic oxigen present és el contingut en el residu a tractar.
• Les temperatures de treball oscil·len entre els 300 ºC i els 800 ºC.
• En no donar-se la reacció d’oxidació dels compostos més volàtils, el poder calorífic del gas de síntesi procedent del procés de piròlisi arriba a oscil·lar entre 10 i 20 MJ/Nm³.

Com a resultat del procés s’obté:

• Gas de síntesi, els components bàsics del qual són CO, CO₂, H₂, CH₄ i compostos volàtils procedents del cracking de les molècules orgàniques, conjuntament amb les ja existents en els residus. Es tracta d’un gas amb un elevat PCI (barreja d’hidrogen, monòxid de carboni, metà, età, etilè, etc.), encara que part de l’energia que s’obté del gas s’ha d’invertir en el propi procés de piròlisi, el qual és endotèrmic.
• Residu líquid, compost bàsicament per hidrocarburs de cadenes llargues com alquitranes, olis, fenols o ceres, formats en condensar a temperatura ambient.
• Residu sòlid que està compost per tots aquells materials no combustibles que no han estat transformats o que procedeixen d’una condensació molecular amb un alt contingut en carbó, metalls pesants i altres components inerts dels residus. Aquest sòlid carboni s’elimina mitjançant un procés d’incineració annex al procés principal de piròlisi.

Les baixes temperatures de treball provoquen una menor volatilització de carboni i altres contaminants precursors en el corrent gasós, com metalls pesants o dioxines. Per això, els gasos de combustió necessitaran teòricament un tractament menor per complir els límits mínims d’emissions fixats en la Directiva d’incineració. Els compostos que no es volatilitzin, romandran en els residus de la piròlisi i hauran de ser gestionats adequadament.

Per poder tractar els residus mitjançant piròlisi, s’han de complir una sèrie de requisits. Tanmateix, és difícil definir la tipologia de residus considerats com a adequats o inadequats, ja que està molt relacionat amb el tipus de reactor usat i les condicions d’operació. Bàsicament, es consideren com a residus més aptes: paper, cartró, encenalls de fusta, residus de jardí i alguns plàstics seleccionats. No són admissibles els residus voluminosos, els metalls, els materials de construcció, els residus perillosos, vidre i alguns plàstics, com el PVC.

Gasificació

La gasificació és un procés tèrmic en el qual es duu a terme una combustió parcial de la matèria en presència de quantitats d’oxigen inferiors a les requerides estequiomètricament. Es produeix un gas combustible, conegut com a gas de síntesi, la composició del qual varia (barreja d’hidrogen, monòxid de carboni, aigua i hidrocarburs lleugers) en funció del residu i de les condicions d’operació.

Les característiques principals d’un procés de gasificació d’un corrent de residus són les següents:

• S’utilitza aire, oxigen o vapor com a font d’oxigen, i en ocasions com a portador en l’eliminació dels productes de reacció.
• La temperatura de treball és típicament superior als 750 ºC.
• Les reaccions químiques produïdes en aquest procés són de dos tipus: de cracking molecular, la temperatura provoca la ruptura dels enllaços moleculars més dèbils originant molècules de menor mida, generalment hidrocarburs volàtils, i de reformat de gasos, aquestes reaccions són específiques dels processos de gasificació i en elles sol intervenir el vapor d’aigua com a reactiu.

Com a resultat del procés de gasificació s’obté un:

• Gas de síntesi, compost principalment per CO, H₂, CO₂, N₂ (si s’empra aire com a gasificant) i CH4 en menor proporció. Com a productes secundaris hi ha alquitranes, compostos halogenats i partícules.
• Residu sòlid, compost per materials no combustibles i inerts presents en el residu alimentat; generalment conté part del carboni sense gasificar. Les característiques d’aquest residu són similars a les escòries dels forns en les plantes d’incineració.

La quantitat, composició i poder calorífic dels gasos procedents de la gasificació dependrà de la composició dels residus, de la temperatura i de les quantitats d’aire i vapor utilitzades.

El gas de síntesi obtingut en el procés de gasificació té potencialment diversos usos:

• Com a matèria primera per a la producció de compostos orgànics, com la síntesi directa de metanol, amoníac, o per a la seva transformació en hidrogen mitjançant el reformat amb vapor o el reformat catalític.
• Producció d’energia elèctrica mitjançant motors de combustió interna o microturbines. El gas de síntesi pot utilitzar-se com a combustible en els processos de producció d’energia elèctrica mitjançant cicles tèrmics diferents als de vapor d’aigua, ja siguin cicles combinats o simples.
• Pot ser transformat en un combustible líquid que es pot emprar com a substitut del gasoil.
• Pot ser injectat a la xarxa de gas natural si es separa prèviament el CO2 i les restes d’oxigen.
• L’hidrogen que conté en una pila de combustible pot utilitzar-se per a la generació d’electricitat.
• Com a combustibles en calderes tradicionals o en forns.

El gas de síntesi ha de ser netejat per poder ser aprofitat posteriorment. També es generen uns sòlids, alquitranes i cendres, que han de ser incinerats.

Pel que fa als residus més apropiats, la gasificació també té la restricció de poder tractar només alguns materials específics. Les característiques del combustible alimentat han d’assegurar com a mínim que contingui el mínim d’inerts i de components molt humits, tingui una mida de partícula compresa entre 80 i 300 mm, contingui una quantitat de carboni suficient per poder dur a terme les reaccions del procés de gasificació, no contingui substàncies perilloses i, si és possible, que tingui un elevat poder calorífic.

Incineració, o combustió amb excés d’oxigen

L’incineració és un procés tèrmic ràpid en el qual es produeix una combustió completa de la matèria, la qual s’acaba oxigenant i convertint-se en diòxid de carboni i aigua.

Les característiques principals de la incineració de residus són les següents:

• Es requereix un excés d’oxigen respecte a l’estequiomètric durant la combustió, per assegurar una completa oxidació.
• La temperatura de combustió està normalment compresa entre els 850ºC i els 1.100ºC després de la darrera injecció d’aire secundari. La temperatura varia en funció de la composició en compostos halogenats del residu a tractar.
• Perquè la matèria reaccionï amb l’oxigen produint energia ha de contenir carboni, hidrogen o sofre.

Com a resultat del procés d’incineració s’obté:

• Gas de combustió, compost principalment per CO₂, H₂O, O₂ no reaccionat, N₂ de l’aire emprat per a la combustió i altres compostos en menors proporcions procedents dels diferents elements que formaven part dels residus. Els components minoritaris presents dependran de la composició dels residus tractats. Així doncs, poden contenir gasos àcids derivats de reaccions d’halògens, sofre, metalls volàtils o compostos orgànics que no s’hagin oxigenat. Finalment, els gasos de combustió contindran partícules, que són arrossegades pels gasos.
• Residu sòlid, compost fonamentalment per escòries inerts, cendres i residus del sistema de depuració dels gasos de combustió.

El procés global converteix pràcticament tota l’energia química continguda en el combustible en energia tèrmica, deixant una part d’energia química sense convertir en gas de combustió i una molt petita part d’energia química no convertida en les cendres.

L’aprofitament de la calor d’aquest procés es realitza mitjançant la generació de vapor d’aigua recalentat, amb rendiments tèrmics de l’ordre del 80%, degut a les pèrdues calorífiques tant al forn com a la caldera i per la temperatura mínima de sortida dels gasos de combustió de la caldera de recuperació.

Els processos d’incineració són molt flexibles pel que fa als combustibles que es poden emprar, per la qual cosa poden tractar RSU, residus industrials, residus perillosos, fangs de depuradores o residus hospitalaris.

Generació de plasma

El plasma és un estat de la matèria, format a partir d’un gas sotmès a altes temperatures i en el qual pràcticament tots els àtoms han estat ionitzats. El resultat és un fluid format per una barreja d’electrons, ions i partícules neutres lliures, sent en conjunt elèctricament neutre, però conductor de l’electricitat.

Les característiques que defineixen aquest procés són les següents:

• La generació de plasma es realitza fent fluir un gas inert a través d’un camp elèctric existent entre dos elèctrodes, formant-se l’anomenat arc de plasma.
• Les temperatures de treball varien entre 5.000 ºC i 15.000 ºC.
• En el si del gas es produeixen les següents reaccions: dissociació d’àtoms, pèrdua d’electrons de les capes externes i formació de partícules carregades positivament.
• El fonament del procés és el següent: si un gas es troba en les condicions anteriors i s’introdueix en un camp elèctric es generarà un corrent elèctric, format pels electrons lliures dirigint-se al pol positiu del camp elèctric, i les partícules positives cap al negatiu. Aquest corrent elèctric determina una resistivitat i, per tant, una transformació en calor que depèn de la intensitat elèctrica. D’aquesta manera, augmentant la intensitat del camp elèctric s’augmenta la intensitat electrònica i catiónica, la transformació en calor i la temperatura del gas.
• Aquest procés té com a límit pràctic la resistència mecànica i tèrmica dels elèctrodes.

El plasma, com a mètode tèrmic per al tractament de residus, presenta tres possibilitats:

• Tractament de gasos perillosos, els quals es sotmeten a les temperatures de treball, destruint així la seva estructura molecular. Un exemple clar és l’aplicació per a la destrucció de PCBs, dioxines, furanos, pesticides, etc.
• Vitrificació de residus perillosos, tant per als residus orgànics, destruint la seva estructura molecular, com per als inorgànics, mitjançant la fusió dels mateixos dins d’una massa vítria. Després d’enrefredar i solidificar la massa fosa, els residus romanen físicament capturats dins la massa vítria, i per tant es converteixen en un sòlid inert, minimitzant les seves possibilitats de lixiviació.
• Gasificació per plasma, en la qual s’utilitza com a font de calor l’energia tèrmica continguda en el propi plasma a partir de l’energia (normalment elèctrica) consumida per a la generació del mateix. D’aquesta forma, s’obté com a productes finals: un gas, compost fonamentalment per monòxid de carboni i hidrogen, i un residu sòlid, consistent en una escòria inert generalment vitrificada.

Com a resultat de les proves realitzades en planta pilot, aquesta tecnologia podria arribar a tractar una àmplia varietat de residus, com RSU, residus industrials, biomassa, residus sanitaris, de desballestaments de vehicles, pneumàtics, plàstics, residus especials, etc.

Abocament i aprofitament del gas d’abocador

Amb la majoria de normatives vigents, no és aconsellable considerar aquesta alternativa com una opció viable, ja que cada vegada la quantitat de residu biodegradable dipositat en abocador és menor.

No obstant això, és convenient aprofitar l’energia del gas d’abocador, malgrat els inconvenients tècnics (poder calorífic variable, presència de nombrosos contaminants en el gas, condicions agressives per als motors de cogeneració o les microturbines, etc.).