La conversión de residuos en energía ( WtE ) o energía a partir de residuos ( EfW ) es el proceso de generación de energía en forma de electricidad y/o calor a partir del tratamiento primario de residuos , o del procesamiento de residuos para convertirlos en una fuente de combustible. WtE es una forma de recuperación de energía . La mayoría de los procesos WtE generan electricidad y/o calor directamente a través de la combustión, o producen un combustible básico, como metano , metanol , etanol o combustibles sintéticos , a menudo derivados del gas de síntesis. [1]
Los procesos de gasificación y pirólisis se conocen y utilizan desde hace siglos y para el carbón ya en el siglo XVIII... Las tecnologías de desarrollo para el procesamiento [residuos sólidos mixtos] sólo se han convertido en un foco de atención en los últimos años, estimuladas por la búsqueda de más recuperación eficiente de energía. (2004) [6]
La incineración, la combustión de material orgánico como residuos con recuperación de energía, es la implementación más común de WtE. Todas las nuevas plantas WtE en los países de la OCDE que incineran residuos ( RSU residuales , comerciales, industriales o CDR ) deben cumplir estrictas normas de emisión, incluidas las relativas a óxidos de nitrógeno (NO x ), dióxido de azufre (SO 2 ), metales pesados y dioxinas . [7] [8] Por lo tanto, las plantas de incineración modernas son muy diferentes de los tipos antiguos, algunas de las cuales no recuperan energía ni materiales. Los incineradores modernos reducen el volumen de los residuos originales entre un 95 y un 96 por ciento, dependiendo de la composición y el grado de recuperación de materiales como los metales de las cenizas para su reciclaje. [4]
Los incineradores pueden emitir partículas finas , metales pesados, trazas de dioxinas y gases ácidos , aunque estas emisiones son relativamente bajas [9] en los incineradores modernos. Otras preocupaciones incluyen el manejo adecuado de los residuos: las cenizas volantes tóxicas , que deben manipularse en instalaciones de eliminación de desechos peligrosos, así como las cenizas de fondo de incineradores (IBA), que deben reutilizarse adecuadamente. [10]
Los críticos argumentan que los incineradores destruyen recursos valiosos y pueden reducir los incentivos para el reciclaje. [10] La cuestión, sin embargo, está abierta, ya que los países europeos que más reciclan (hasta un 70%) también incineran para evitar los vertederos . [11]
Los incineradores tienen eficiencias eléctricas del 14 al 28%. [10] Para evitar perder el resto de la energía, se puede utilizar, por ejemplo, para calefacción urbana ( cogeneración ). La eficiencia total de los incineradores de cogeneración suele ser superior al 80% (basado en el menor poder calorífico de los residuos).
El método de incineración para convertir residuos sólidos municipales (RSU) es un método relativamente antiguo de generación de WtE. La incineración generalmente implica la quema de desechos (RSU residuales, comerciales, industriales y CDR) para hervir agua que alimenta generadores de vapor que generan energía eléctrica y calor para ser utilizados en hogares, negocios, instituciones e industrias. Un problema asociado es la posibilidad de que los contaminantes entren a la atmósfera con los gases de combustión de la caldera. Estos contaminantes pueden ser ácidos y en la década de 1980 se informó que causaban degradación ambiental al convertir la lluvia en lluvia ácida . Los incineradores modernos incorporan cámaras de combustión primaria y secundaria cuidadosamente diseñadas y quemadores controlados diseñados para quemarse completamente con las menores emisiones posibles, eliminando, en algunos casos, la necesidad de depuradores de cal y precipitadores electroestáticos en las chimeneas.
Al pasar el humo a través de los depuradores de cal básicos, se neutraliza cualquier ácido que pueda haber en el humo, lo que evita que el ácido llegue a la atmósfera y dañe el medio ambiente. Muchos otros dispositivos, como filtros de tela, reactores y catalizadores, destruyen o capturan otros contaminantes regulados. [12] Según el New York Times, las plantas de incineración modernas son tan limpias que "hoy en día se libera muchas veces más dioxina de las chimeneas de las casas y de las barbacoas de los patios traseros que de la incineración". [13] Según el Ministerio de Medio Ambiente alemán, "debido a las estrictas regulaciones, las plantas de incineración de residuos ya no son significativas en términos de emisiones de dioxinas, polvo y metales pesados". [14]
En comparación con otras tecnologías de conversión de residuos en energía, la incineración parece ser la más atractiva debido a su mayor eficiencia de producción de energía, menores costos de inversión y menores tasas de emisión. Además, la incineración produce la mayor cantidad de electricidad y la mayor capacidad para reducir la acumulación de desechos en los vertederos mediante la combustión directa. [15]
Un proceso que se utiliza para convertir el plástico en combustible es la pirólisis , la descomposición térmica de materiales a altas temperaturas en una atmósfera inerte. Implica un cambio de composición química y se utiliza principalmente para el tratamiento de materiales orgánicos. En la producción a gran escala, los residuos plásticos se muelen, se funden y luego se pirolizan. Los convertidores catalíticos ayudan en el proceso. Los vapores se condensan con aceite o combustible y se acumulan en tanques de sedimentación y se filtran. El combustible se obtiene tras la homogeneización y puede utilizarse para automóviles y maquinaria. Comúnmente se le denomina termocombustible o energía procedente del plástico. [dieciséis]
Un nuevo proceso utiliza un catalizador de dos partes, cobalto y zeolita, para convertir plásticos en propano . Funciona con polietileno y polipropileno y el rendimiento de propano es aproximadamente del 80%. [17]
Hay otras tecnologías nuevas y emergentes que pueden producir energía a partir de residuos y otros combustibles sin combustión directa. Muchas de estas tecnologías tienen el potencial de producir más energía eléctrica a partir de la misma cantidad de combustible que la que sería posible mediante combustión directa. Esto se debe principalmente a la separación de componentes corrosivos (cenizas) del combustible convertido, lo que permite temperaturas de combustión más altas, por ejemplo en calderas , turbinas de gas , motores de combustión interna y pilas de combustible . Algunas tecnologías avanzadas pueden convertir eficientemente la energía de las materias primas en combustibles líquidos o gaseosos, utilizando calor pero en ausencia de oxígeno, sin combustión real, mediante el uso de una combinación de tecnologías térmicas. Normalmente, son más limpios, ya que la materia prima se separa antes del tratamiento para eliminar los componentes no deseados:
Las tecnologías de tratamiento térmico incluyen:
Tecnologías no térmicas:
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Durante el período 2001-2007, la capacidad de conversión de residuos en energía aumentó en aproximadamente cuatro millones de toneladas métricas por año.
Japón y China construyeron cada uno varias plantas basadas en la fundición directa o en la combustión en lecho fluidizado de desechos sólidos. En China había alrededor de 434 plantas de conversión de residuos en energía a principios de 2016. Japón es el mayor usuario del mundo en tratamiento térmico de residuos sólidos urbanos, con 40 millones de toneladas.
Algunas de las plantas más nuevas utilizan tecnología de fogonero y otras utilizan tecnología avanzada de enriquecimiento de oxígeno. Existen varias plantas de tratamiento en todo el mundo que utilizan procesos relativamente novedosos, como la fundición directa, el proceso de fluidización Ebara y el proceso de tecnología de fusión y gasificación Thermoselect JFE. [18]
En junio de 2014, Indonesia tenía un total de 93,5 MW de capacidad instalada de conversión de residuos en energía, con una cartera de proyectos en diferentes fases de preparación que en conjunto sumaban otros 373 MW de capacidad. [19]
Biofuel Energy Corporation de Denver, Colorado, inauguró dos nuevas plantas de biocombustibles en Wood River, Nebraska , y Fairmont, Minnesota , en julio de 2008. Estas plantas utilizan la destilación para producir etanol para su uso en vehículos de motor y otros motores. Actualmente se informa que ambas plantas están funcionando a más del 90% de su capacidad. Fulcrum BioEnergy, ubicada en Pleasanton, California , está construyendo una planta WtE cerca de Reno, NV . La planta tiene prevista su inauguración en 2019 bajo el nombre de Planta Sierra BioFuels. BioEnergy Incorporated predice que la planta producirá aproximadamente 10,5 millones de galones por año de etanol a partir de casi 200.000 toneladas por año de RSU. [20]
La tecnología de conversión de residuos en energía incluye la fermentación , que puede tomar biomasa y crear etanol , utilizando residuos de material celulósico u orgánico. [1] En el proceso de fermentación, el azúcar de los residuos se convierte en dióxido de carbono y alcohol, en el mismo proceso general que se utiliza para elaborar vino. Normalmente la fermentación se produce sin aire presente.
La esterificación también se puede realizar mediante tecnologías de conversión de residuos en energía, y el resultado de este proceso es el biodiesel . La rentabilidad de la esterificación dependerá de la materia prima que se utilice y de todos los demás factores relevantes, como la distancia de transporte, la cantidad de aceite presente en la materia prima y otros. [21] La gasificación y la pirólisis ahora pueden alcanzar eficiencias brutas de conversión térmica (combustible a gas) de hasta el 75%; sin embargo, una combustión completa es superior en términos de eficiencia de conversión de combustible. [6] Algunos procesos de pirólisis necesitan una fuente de calor exterior que puede ser suministrada por el proceso de gasificación, lo que hace que el proceso combinado sea autosuficiente.
En las tecnologías térmicas WtE, casi todo el contenido de carbono de los residuos se emite como dióxido de carbono (CO 2 ) a la atmósfera (cuando se incluye la combustión final de los productos de la pirólisis y la gasificación; excepto cuando se produce biocarbón para fertilizante). Los residuos sólidos municipales (RSU) contienen aproximadamente la misma fracción masiva de carbono que el propio CO 2 (27%), por lo que el tratamiento de 1 tonelada métrica (1,1 toneladas cortas) de RSU produce aproximadamente 1 tonelada métrica (1,1 toneladas cortas) de CO 2 .
En el caso de que los residuos fueran depositados en vertederos , 1 tonelada métrica (1,1 toneladas cortas) de RSU produciría aproximadamente 62 metros cúbicos (2200 pies cúbicos) de metano mediante la descomposición anaeróbica de la parte biodegradable de los residuos. Esta cantidad de metano tiene más del doble de potencial de calentamiento global que 1 tonelada métrica (1,1 toneladas cortas) de CO 2 , que se habría producido mediante la combustión. En algunos países se recogen grandes cantidades de gas de vertedero . Sin embargo, todavía existe el potencial de calentamiento global del gas de vertedero que se emite a la atmósfera. Por ejemplo, en Estados Unidos, en 1999, las emisiones de gases de vertedero fueron aproximadamente un 32% superiores a la cantidad de CO 2 que se habría emitido mediante la combustión. [22]
Además, casi todos los residuos biodegradables son biomasa . Es decir, tiene origen biológico. Este material ha sido formado por plantas que utilizan CO 2 atmosférico normalmente durante la última temporada de crecimiento. Si estas plantas vuelven a crecer, el CO 2 emitido por su combustión volverá a ser eliminado de la atmósfera.
Estas consideraciones son la razón principal por la que varios países administran la WtE de la parte de biomasa de los residuos como energía renovable . [23] El resto, principalmente plásticos y otros productos derivados del petróleo y el gas, generalmente se trata como no renovable .
Las emisiones de CO 2 de los sistemas de conversión de residuos plásticos en energía son mayores que las de los actuales sistemas de energía basados en combustibles fósiles por unidad de energía generada, incluso después de considerar la contribución de la captura y el almacenamiento de carbono . La generación de energía a partir de residuos plásticos aumentará significativamente de aquí a 2050. El carbono debe separarse durante los procesos de recuperación de energía. De lo contrario, la lucha contra el calentamiento global fracasaría debido a los residuos plásticos. [24]
Los RSU son en gran medida de origen biológico (biogénicos), por ejemplo papel, cartón, madera, telas y restos de comida. Normalmente, la mitad del contenido energético de los RSU proviene de material biogénico. [25] En consecuencia, esta energía a menudo se reconoce como energía renovable según la entrada de residuos. [26]
El grupo de trabajo europeo CEN 343 ha desarrollado varios métodos para determinar la fracción de biomasa de los combustibles residuales, como el combustible derivado de residuos o el combustible sólido recuperado. Los dos métodos iniciales desarrollados (CEN/TS 15440) fueron el método de clasificación manual y el método de disolución selectiva . En 2010 se publicó una comparación sistemática detallada de estos dos métodos. [27] Dado que cada método tenía limitaciones para caracterizar adecuadamente la fracción de biomasa, se han desarrollado dos métodos alternativos.
El primer método utiliza los principios de la datación por radiocarbono . En 2007 se publicó una revisión técnica (CEN/TR 15591:2007) que describe el método del carbono 14. En 2008 se publicó una norma técnica del método de datación por carbono (CEN/TS 15747:2008). [necesita actualización ] En los Estados Unidos , ya existe un método de carbono 14 equivalente según el método estándar ASTM D6866.
El segundo método (el llamado método de equilibrio ) utiliza datos existentes sobre la composición de los materiales y las condiciones operativas de la planta WtE y calcula el resultado más probable basándose en un modelo matemático-estadístico. [28] Actualmente el método de equilibrio está instalado en tres incineradores austriacos y ocho daneses.
Una comparación entre ambos métodos realizada en tres incineradores a gran escala en Suiza mostró que ambos métodos llegaron a los mismos resultados. [29]
La datación por carbono 14 permite determinar con precisión la fracción de biomasa de los residuos, y también determinar el poder calorífico de la biomasa . La determinación del poder calorífico es importante para los programas de certificados verdes, como el programa de Certificado de Obligación Renovable en el Reino Unido. Estos programas otorgan certificados basados en la energía producida a partir de biomasa. Se han publicado varios artículos de investigación, incluido el encargado por la Asociación de Energías Renovables del Reino Unido, que demuestran cómo se puede utilizar el resultado del carbono 14 para calcular el poder calorífico de la biomasa. La autoridad de los mercados de gas y electricidad del Reino Unido, Ofgem , emitió una declaración en 2011 aceptando el uso de Carbono 14 como una forma de determinar el contenido de energía de la biomasa de las materias primas residuales bajo su administración de la Obligación de Energías Renovables. [30] Su cuestionario de medición y muestreo de combustible (FMS) describe la información que buscan al considerar tales propuestas. [31]
Un informe de 2019 encargado por la Alianza Global para Alternativas de Incineradores (GAIA), realizado por el Centro de Diseño y Medio Ambiente Tishman en The New School , encontró que el 79% de las 73 instalaciones de conversión de residuos en energía en funcionamiento en los EE. UU. están ubicadas en zonas bajas. -comunidades de ingresos y/o "comunidades de color", debido a "las leyes residenciales históricas, de segregación racial y de zonificación expulsiva que permitieron a las comunidades más blancas y ricas excluir los usos industriales y a las personas de color de sus límites". [32] En Chester, Pensilvania , donde un grupo comunitario se opone activamente a su instalación local de conversión de residuos en energía, Sintana Vergara, profesora asistente en el Departamento de Ingeniería de Recursos Ambientales de la Universidad Estatal de Humboldt en California, comentó que la resistencia comunitaria se basa tanto por la contaminación como por el hecho de que muchas de estas instalaciones han sido ubicadas en comunidades sin ningún aporte comunitario y sin ningún beneficio para la comunidad. [33]
Según un informe del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente de 2019 , hay 589 plantas WtE en Europa y 82 en Estados Unidos. [34]
Los siguientes son algunos ejemplos de plantas WtE.
Actualmente se encuentra en construcción una sola planta:
La Fuerza Aérea de EE. UU. probó una vez una instalación del Sistema Transportable de Residuos de Plasma a Energía (TPWES) (tecnología PyroGenesis) en Hurlburt Field, Florida. [39] La planta, cuya construcción costó 7,4 millones de dólares, [40] se cerró y se vendió en una subasta de liquidación del gobierno en mayo de 2013, menos de tres años después de su puesta en servicio. [41] [42] La oferta inicial fue de 25 dólares. La oferta ganadora fue sellada.
Además de las grandes plantas, también existen incineradoras domésticas de conversión de residuos en energía. Por ejemplo, el Refugio de Sarenne cuenta con una planta de valorización energética de residuos domésticos. Se fabrica combinando una caldera de gasificación de leña con un motor Stirling . [43] [44]
Renergi ampliará su sistema de conversión de materiales orgánicos residuales en combustibles líquidos mediante un proceso de tratamiento térmico en Collie, Australia Occidental. El sistema procesará 1,5 toneladas de materia orgánica por hora. Anualmente, la instalación desviará 4.000 toneladas de residuos municipales del vertedero y obtendrá 8.000 toneladas adicionales de residuos orgánicos de operaciones agrícolas y forestales. El proceso patentado de “pirólisis de molienda” de Renergi tiene como objetivo convertir materiales orgánicos en biocarbón, biogases y bioaceite mediante la aplicación de calor en un ambiente con oxígeno limitado. [45]
En otro proyecto en la zona industrial de Rockingham, aproximadamente a 45 kilómetros al sur de Perth, se construirá una planta de 29 MW con capacidad para alimentar 40.000 hogares a partir de una materia prima anual de 300.000 toneladas de basura municipal, industrial y comercial. Además de suministrar electricidad al Sistema Interconectado del Suroeste, ya se han comprometido 25 MW de la producción de la planta en virtud de un acuerdo de compra de energía. [46]
Sin embargo, creo que aquí hay dos cuestiones.
"Uno es el hecho de que, por supuesto, la incineración va a producir algo de contaminación del aire, incluso con las tecnologías de control más estrictas, se va a producir algo de contaminación", dijo Vergara. "Pero creo que el segundo tema... es la percepción pública y aceptación de una tecnología como esta.
Así que en Estados Unidos tenemos una larga historia de instalación de plantas de energía e instalaciones de desechos sucias en comunidades de color, en comunidades de bajos ingresos, que asumen los riesgos de estas instalaciones sin necesariamente compartir ninguno de los beneficios.
