Valorización energética de residuos (waste to energy)

Valorización energética de residuos: waste to energy

La valorización energética de residuos, también conocida como waste to energy, es un proceso mediante el cual distintos tipos de vertidos son transformados en energía. En lugar de simplemente desechar los residuos en vertederos o incinerarlos sin obtener ningún beneficio adicional, la valorización energética busca convertir estos residuos en una fuente de energía útil, como electricidad, calor o biogás.

Además de generar energía renovable, la valorización energética de residuos ofrece otros beneficios adicionales, ya que se reduce la cantidad de residuos que llegan a los vertederos y disminuyen las emisiones de gases de efecto invernadero al evitar la descomposición anaeróbica de los residuos en vertederos.

La valorización energética de residuos no debe considerarse como una alternativa a la reducción de los residuos generados y a su reciclaje, ya que es preferible no tener residuos a verse en la necesidad de transformarlos. La valorización energética debe verse como un complemento a estos esfuerzos, especialmente para aquellos residuos que no se pueden reciclar fácilmente o que no son biodegradables.

El auge en las políticas de economía circular ha conllevado un aumento en la implantación de plantas de tratamiento de residuos que permitan su transformación en energía. En todos los casos, nos encontramos con un doble objetivo:

• Encontrar una forma más eficiente de gestionar los residuos
• Obtener una nueva fuente de abastecimiento energético, que contribuya a reducir la dependencia energética

Tecnologías de Valorización Energética

Existen numerosos tipos de residuos que pueden ser utilizados como combustible para su valorización energética, entre los que destacan:

• Residuos sólidos urbanos (RSU).
• Los residuos generados en procesos industriales.
• La biomasa forestal y agrícola destinada a la generación de electricidad.
• Las deyecciones ganaderas y residuos agroindustriales para la generación de biogás.
• La biomasa destinada a biocarburantes.

Existen diferentes tecnologías de valorización energética, los cuales se pueden clasificar en procesos biológicos y procesos térmicos.

Los primeros podrán ser aplicados cuando el residuo posea una importante fracción biodegradable. En cambio, los procesos térmicos serán viables cuando el poder calorífico del residuo, que se mide mediante el poder calorífico inferior (PCI), sea medio o alto.

Los procesos de valorización energética más habituales son los siguientes:

Biometanización

La biometanización es un proceso biológico que se lleva a cabo en ausencia de oxigeno en el que que interviene una población heterogénea de microorganismos. Mediante este proceso se consigue transformar la fracción más degradable de la materia orgánica en biogás, que es una mezcla de gases formada principalmente por metano y dióxido de carbono y por otros gases en menor proporción (vapor de agua, CO, N₂, H₂, H₂S, etc.).

El biogás es una mezcla de dióxido de carbono, metano y otros gases minoritarios (H2S, etc.), que tras ser sometido a un proceso de lavado, puede ser utilizado para producir energía eléctrica mediante un proceso de cogeneración. El biogás es una fuente de energía, ya que es un gas combustible de elevada capacidad calorífica (5.750 kcal/m3), lo que permite su aprovechamiento energético en motores de cogeneración, calderas y turbinas (generando electricidad, calor o como biocarburante).

El tipo de material a digerir influye en gran medida en el rendimiento y en la composición del biogás obtenido. Para una producción máxima es preferible utilizar residuos ricos en grasas, proteínas e hidratos de carbono ya que su degradación conlleva la formación de cantidades importantes de ácidos grasos volátiles, precursores del metano.

La energía calorífica residual del proceso puede ser recuperada y, en parte, utilizada para concentrar las aguas residuales que se generan, mediante un proceso de evaporación-concentración al vacío. El resultado será un agua de alta calidad y un residuo muy concentrado.

La biometanización es un proceso adecuado para el tratamiento y valoración de residuos agrícolas, ganaderos y urbanos, así como para la estabilización de fangos procedentes del tratamiento de aguas residuales urbanas.

Pirolisis

La pirólisis es un proceso térmico que consiste en transformar la materia orgánica en otros compuestos más fáciles de tratar.

La pirólisis, que se lleva a cabo a elevada temperatura (entre 300 y 800 ºC) y en ausencia de aire, consiste en la degradación térmica de un material en ausencia de oxígeno añadido, por lo que la descomposición se produce mediante calor, sin que se produzcan las reacciones de combustión. Las características básicas de dicho proceso son:

• El único oxígeno presente es el contenido en el residuo a tratar.
• Las temperaturas de trabajo, oscilan entre los 300 ºC y los 800 ºC.
• Al no darse la reacción de oxidación de los compuestos más volátiles, el poder calorífico del gas de síntesis procedente del proceso de pirólisis llega a oscilar entre 10 y 20 MJ/Nm³.

Como resultado del proceso se obtiene:

• Gas de síntesis, cuyos componentes básicos son CO, CO₂, H₂, CH₄ y compuestos volátiles procedentes del cracking de las moléculas orgánicas, conjuntamente con las ya existentes en los residuos. Se trata de un gas con un elevado PCI (mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, metano, etano, etileno, etc.), aunque parte de la energía que se obtiene del gas se debe invertir en el propio proceso de pirolisis, el cual es endotérmico.
• Residuo líquido, compuesto básicamente por hidrocarburos de cadenas largas como alquitranes, aceites, fenoles, o ceras, formados al condensar a temperatura ambiente.
• Residuo sólido que está compuesto por todos aquellos materiales no combustibles que no han sido transformados o que proceden de una condensación molecular con un alto contenido en carbón, metales pesados y otros componentes inertes de los residuos. Este sólido carbono se elimina mediante un proceso de incineración anexo al proceso principal de pirolisis.

Las bajas temperaturas de trabajo provocan una menor volatilización de carbono y otros contaminantes precursores en la corriente gaseosa, como metales pesados o dioxinas. Por esto, los gases de combustión necesitarán teóricamente un tratamiento menor para cumplir los límites mínimos de emisiones fijados en la Directiva de incineración. Los compuestos que no se volatilicen, permanecerán en los residuos de la pirólisis y necesitará ser gestionado adecuadamente.

Para poder tratar los residuos mediante pirólisis, se deben cumplir una serie de requisitos. Sin embargo, es difícil definir la tipología de residuos considerados como adecuados o inadecuados, dado que está muy relacionado con el tipo de reactor usado y de las condiciones de operación. Básicamente, se consideran como residuos más aptos: papel, cartón, astillas de madera, residuos de jardín y algunos plásticos seleccionados. No son admisibles los residuos voluminosos, los metales, los materiales de construcción, los residuos peligrosos, vidrio y algunos plásticos, como el PVC.

Gasificación

La gasificación es un proceso térmico en el que se lleva a cabo una combustión parcial de la materia en presencia de cantidades de oxígeno inferiores a las requeridas estequiométricamente. Se produce un gas combustible, conocido como gas de síntesis, cuya composición varía (mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, agua e hidrocarburos ligeros) en función del residuo y de las condiciones de operación.

Las características principales de un proceso de gasificación de una corriente de residuos son las siguientes:

• Se usa aire, oxígeno o vapor como fuente de oxígeno, y en ocasiones como portador en la eliminación de los productos de reacción.
• La temperatura de trabajo es típicamente superior a los 750 ºC.
• Las reacciones químicas producidas en este proceso son de dos tipos: de cracking molecular, la temperatura provoca la rotura de los enlaces moleculares más débiles originando moléculas de menor tamaño, generalmente hidrocarburos volátiles, y de reformado de gases, estas reacciones son específicas de los procesos de gasificación y en ellas suele intervenir el vapor de agua como reactivo.
• Como resultado del proceso de gasificación se obtiene un:
  • Gas de síntesis, compuesto principalmente por CO, H₂, CO₂, N₂ (si se emplea aire como gasificante) y CH4 en menor proporción. Como productos secundarios se encuentran alquitranes, compuestos halogenados y partículas.
  • Residuo sólido, compuesto por materiales no combustibles e inertes presentes en el residuo alimentado; generalmente contiene parte del carbono sin gasificar. Las características de este residuo son similares a las escorias de los hornos en las plantas de incineración.
  • La cantidad, composición y poder calorífico de los gases procedentes de la gasificación dependerá de la composición de los residuos, de la temperatura y de las cantidades de aire y vapor utilizadas.

  El gas de síntesis obtenido en el proceso de gasificación tiene potencialmente varios usos:

  • Como materia prima para la producción de compuestos orgánicos, como la síntesis directa de metanol, amoníaco, o para su trasformación en hidrógeno mediante el reformado con vapor o el reformado catalítico.
  • Producción de energía eléctrica mediante motores de combustión interna o microturbinas. El gas de síntesis puede utilizarse como combustible en los procesos de producción de energía eléctrica mediante ciclos térmicos distintos a los de vapor de agua, ya sean ciclos combinados o simples.
  • Puede ser transformado en un combustible líquido que se puede emplear como sustituto del gasoil.
  • Puede ser inyectado en la red de gas natural si se separa previamente el CO2 y los restos de oxígeno
  • El hidrógeno que contiene en una pila de combustible puede utilizarse para la generación de electricidad.
  • Como combustibles en calderas tradicionales o en hornos.

  El gas de síntesis debe ser limpiado para poder ser aprovechado posteriormente. También se generan unos sólidos, alquitranes y cenizas, que deben ser incinerados.

  En cuanto a los residuos más apropiados, la gasificación también tiene la restricción de poder tratar sólo algunos materiales específicos. Las características del combustible alimentado deben asegurar como mínimo que contenga el mínimo de inertes y de componentes muy húmedos, tenga un tamaño de partícula comprendido entre 80 y 300 mm, contenga una cantidad de carbono suficiente para poder llevarse a cabo las reacciones del proceso de gasificación, no contener sustancias peligrosas y, si es posible, que tenga un elevado poder calorífico.

  Incineración, o combustión con exceso de oxígeno

  La incineración es un proceso térmico rápido en el que se produce una combustión completa de la materia, la cual se acaba oxidando y convirtiéndose en dióxido de carbono y agua.

  Las características principales de la incineración de residuos son las siguientes:

  • Se requiere un exceso de oxígeno respecto al estequiométrico durante la combustión, para asegurar una completa oxidación.
  • La temperatura de combustión está normalmente comprendida entre los 850ºC y los 1.100ºC después de la última inyección de aire secundario. La temperatura varia en función de la composición en compuestos halogenados del residuo a tratar.
  • Para que la materia reaccione con el oxígeno produciendo energía debe contener carbono, hidrógeno o azufre.

  Como resultado del proceso de incineración se obtiene:

  • Gas de combustión, compuesto principalmente por CO₂, H₂O, O₂ no reaccionado, N₂ del aire empleado para la combustión y otros compuestos en menores proporciones procedentes de los diferentes elementos que formaban parte de los residuos. Los componentes minoritarios presentes dependerán de la composición de los residuos tratados. Así pues, pueden contener gases ácidos derivados de reacciones de halógenos, azufre, metales volátiles o compuestos orgánicos que no se hayan oxidado. Finalmente, los gases de combustión contendrán partículas, que son arrastradas por los gases.
  • Residuo sólido, compuesto fundamentalmente por escorias inertes, cenizas y residuos del sistema de depuración de los gases de combustión.

  El proceso global convierte prácticamente toda la energía química contenida en el combustible en energía térmica, dejando una parte de energía química sin convertir en gas de combustión y una muy pequeña parte de energía química no convertida en las cenizas.

  El aprovechamiento del calor de ese proceso se realiza mediante la generación de vapor de agua recalentado, con rendimientos térmicos del orden del 80%, debido a las pérdidas caloríficas tanto en el horno como en la caldera y por la temperatura mínima de salida de los gases de combustión de la caldera de recuperación.

  Los procesos de incineración son muy flexibles en cuanto a los combustibles que se pueden emplear, por lo que pueden tratar RSU, residuos industriales, residuos peligrosos, lodos de depuradoras o residuos hospitalarios.

  Generación de plasma

  El plasma es un estado de la materia, formado a partir de un gas sometido a altas temperaturas y en el cual prácticamente todos los átomos han sido ionizados. El resultado es un fluido formado por una mezcla de electrones, iones y partículas neutras libres, siendo en conjunto eléctricamente neutro, pero conductor de la electricidad.

  Las características que definen este proceso son las siguientes:

  • La generación de plasma se realiza al hacer fluir de un gas inerte a través de un campo eléctrico existente entre dos electrodos, formándose el denominado arco de plasma.
  • Las temperaturas de trabajo varían entre 5.000 ºC y 15.000 ºC.
  • En el seno del gas se producen las siguientes reacciones: disociación de átomos, pérdida de electrones de las capas externas y formación de partículas cargadas positivamente.
  • El fundamento del proceso es el siguiente: si un gas se halla en las condiciones anteriores y se introduce en un campo eléctrico se generará una corriente eléctrica, formada por los electrones libres dirigiéndose al polo positivo del campo eléctrico, y las partículas positivas hacia el negativo. Esta corriente eléctrica determina una resistividad y, por tanto, una transformación en calor que depende de la intensidad eléctrica. De este modo, aumentando la intensidad del campo eléctrico se aumenta la intensidad electrónica y catiónica, la transformación en calor y la temperatura del gas.
  • Este proceso tiene como límite práctico la resistencia mecánica y térmica de los electrodos.

  El plasma, como método térmico para el tratamiento de residuos, presenta tres posibilidades:

  • Tratamiento de gases peligrosos, los cuales se someten a las temperaturas de trabajo, destruyendo así su estructura molecular. Un ejemplo claro, es la aplicación para la destrucción de PCBs, dioxinas, furanos, pesticidas, etc.
  • Vitrificación de residuos peligrosos, tanto para los residuos orgánicos, destruyendo su estructura molecular, como para los inorgánicos, mediante la fusión de los mismos dentro de una masa vítrea. Después de enfriar y solidificar la masa fundida, los residuos permanecen físicamente capturados dentro de la masa vítrea, y por tanto se convierten en un sólido inerte, minimizando sus posibilidades de lixiviación.
  • Gasificación por plasma, en la que se utiliza como fuente de calor la energía térmica contenida en el propio plasma a partir de la energía (normalmente eléctrica) consumida para la generación del mismo. De esta forma, se obtiene como productos finales: un gas, compuesto fundamentalmente por monóxido de carbono e hidrógeno, y un residuo sólido, consistente en una escoria inerte generalmente vitrificada.

  Como resultado de las pruebas realizadas en planta piloto, esta tecnología podría llegar a tratar una amplia variedad de los residuos, como RSU, residuos industriales, biomasa, residuos sanitarios, de desguaces de vehículos, neumáticos, plásticos, residuos especiales, etc.

  Vertido y aprovechamiento del gas de vertedero

  Con la mayoría de normativas vigentes, no es aconsejable considerar esta alternativa como una opción viable, puesto que cada vez la cantidad de residuo biodegradable depositado en vertedero es menor.

  No obstante, es conveniente aprovechar la energía del gas de vertedero, a pesar de los inconvenientes técnicos (poder calorífico variable, presencia de numerosos contaminantes en el gas, condiciones agresivas para los motores de cogeneración o las microturbinas, etc.).