El término conversión de residuos en energía (WtE, por sus siglas en inglés) o energía a partir de residuos (EfW, por sus siglas en inglés) hace referencia a una serie de procesos diseñados para convertir materiales de desecho en formas utilizables de energía, generalmente electricidad o calor. Como forma de recuperación de energía, el WtE desempeña un papel crucial tanto en la gestión de residuos como en la producción de energía sostenible, al reducir el volumen de residuos en los vertederos y proporcionar una fuente de energía alternativa.
El método más común de WtE es la combustión directa de residuos para producir calor, que luego puede usarse para generar electricidad mediante turbinas de vapor. Este método se emplea ampliamente en muchos países y ofrece un doble beneficio: elimina los residuos al mismo tiempo que genera energía, lo que lo convierte en un proceso eficiente tanto para la reducción de residuos como para la producción de energía.
Además de la combustión, otras tecnologías de WtE se centran en convertir los residuos en fuentes de combustible. Por ejemplo, la gasificación y la pirólisis son procesos que descomponen termoquímicamente los materiales orgánicos en ausencia de oxígeno para producir gas de síntesis, un gas sintético compuesto principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono y pequeñas cantidades de dióxido de carbono. Este gas de síntesis se puede convertir en metano , metanol , etanol o incluso combustibles sintéticos , que se pueden utilizar en diversos procesos industriales o como combustibles alternativos en el transporte.
Además, la digestión anaeróbica , un proceso biológico, convierte los residuos orgánicos en biogás (principalmente metano y dióxido de carbono) mediante la acción microbiana. Este biogás puede aprovecharse para la producción de energía o procesarse para obtener biometano, que puede servir como sustituto del gas natural.
El proceso WtE contribuye a los principios de la economía circular al transformar los desechos en recursos valiosos, reducir la dependencia de los combustibles fósiles y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, aún quedan desafíos, en particular para garantizar que las emisiones de las plantas WtE, como las dioxinas y los furanos , se gestionen adecuadamente para minimizar el impacto ambiental. Las tecnologías avanzadas de control de la contaminación son esenciales para abordar estas preocupaciones y garantizar que la WtE siga siendo una solución viable y ambientalmente racional.
Las tecnologías de WtE presentan una oportunidad importante para gestionar los residuos de forma sostenible y, al mismo tiempo, contribuir a la demanda mundial de energía. Representan un componente esencial de las estrategias integradas de gestión de residuos y un cambio hacia sistemas de energía renovable. A medida que avanza la tecnología, la WtE puede desempeñar un papel cada vez más importante tanto en la reducción del uso de vertederos como en la mejora de la seguridad energética.
Los procesos de gasificación y pirólisis se conocen y se utilizan desde hace siglos, y para el carbón ya en el siglo XVIII... El desarrollo de tecnologías para el procesamiento de [residuos sólidos mixtos] sólo se ha convertido en un foco de atención en los últimos años, estimulado por la búsqueda de una recuperación de energía más eficiente. (2004) [5]
La incineración, la combustión de material orgánico como los residuos con recuperación de energía, es la implementación más común de WtE. Todas las nuevas plantas de WtE en los países de la OCDE que incineran residuos ( RSU residuales , comerciales, industriales o CDR ) deben cumplir con estrictos estándares de emisión, incluidos los de óxidos de nitrógeno (NO x ), dióxido de azufre (SO 2 ), metales pesados y dioxinas . [6] [7] Por lo tanto, las plantas de incineración modernas son muy diferentes de los tipos antiguos, algunos de los cuales no recuperaban energía ni materiales. Los incineradores modernos reducen el volumen de los residuos originales en un 95-96 por ciento, dependiendo de la composición y el grado de recuperación de materiales como metales de las cenizas para su reciclaje. [3]
Los incineradores pueden emitir partículas finas , metales pesados, trazas de dioxinas y gases ácidos , aunque estas emisiones son relativamente bajas [8] en los incineradores modernos. Otras preocupaciones incluyen la gestión adecuada de los residuos: cenizas volantes tóxicas , que deben manipularse en instalaciones de eliminación de residuos peligrosos, así como cenizas de fondo de incinerador (IBA), que deben reutilizarse adecuadamente. [9]
Los críticos sostienen que los incineradores destruyen recursos valiosos y pueden reducir los incentivos para el reciclaje. [9] Sin embargo, la cuestión está abierta, ya que los países europeos que más reciclan (hasta un 70%) también incineran para evitar los vertederos . [10]
Los incineradores tienen una eficiencia eléctrica del 14-28 %. [9] 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 % (basándose en el valor calorífico inferior de los residuos).
El método de incineración para convertir los residuos sólidos urbanos (RSU) es un método relativamente antiguo de generación de energía renovable. La incineración generalmente implica la quema de residuos (RSU residuales, comerciales, industriales y RDF) para hervir agua que alimenta generadores de vapor que generan energía eléctrica y calor para su uso en hogares, empresas, 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 quemar completamente con las menores emisiones posibles, eliminando, en algunos casos, la necesidad de depuradores de cal y precipitadores electrostáticos en las chimeneas.
Al pasar el humo a través de depuradores básicos de cal, se neutralizan los ácidos que puedan estar presentes en el humo, lo que evita que lleguen a la atmósfera y dañen el medio ambiente. Muchos otros dispositivos, como filtros de tela, reactores y catalizadores, destruyen o capturan otros contaminantes regulados. [11] Según el New York Times, las plantas de incineración modernas son tan limpias que "hoy en día se liberan muchas más dioxinas de las chimeneas de las casas y de las barbacoas de los jardines que de la incineración". [12] 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". [13]
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 emisiones. Además, la incineración produce la mayor cantidad de electricidad y la mayor capacidad para reducir la acumulación de residuos en los vertederos mediante la combustión directa. [14]
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 la composición química y se utiliza principalmente para el tratamiento de materiales orgánicos. En la producción a gran escala, los desechos plásticos se muelen y 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 después de la homogeneización y se puede utilizar para automóviles y maquinaria. Se lo denomina comúnmente termocombustible o energía a partir del plástico. [15]
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 de aproximadamente el 80 %. [16]
Existen otras tecnologías nuevas y emergentes que pueden producir energía a partir de desechos 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 de lo que sería posible mediante combustión directa. Esto se debe principalmente a la separación de los 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 celdas de combustible . Algunas tecnologías avanzadas pueden convertir de manera eficiente la energía de las materias primas en combustibles líquidos o gaseosos, utilizando calor pero en ausencia de oxígeno, sin combustión real, mediante una combinación de tecnologías térmicas. Por lo general, son más limpias, 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 alrededor de cuatro millones de toneladas métricas por año.
Japón y China han construido varias plantas basadas en la fundición directa o en la combustión en lecho fluidizado de residuos sólidos. En China había alrededor de 434 plantas de conversión de residuos en energía a principios de 2016. Japón es el mayor usuario de tratamiento térmico de residuos sólidos urbanos del mundo, con 40 millones de toneladas.
Algunas de las plantas más nuevas utilizan tecnología de stoker 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 gasificación y fusión JFE de Thermoselect. [18]
En junio de 2014, Indonesia tenía una capacidad instalada total de 93,5 MW de conversión de residuos en energía, con una serie de proyectos en diferentes fases de preparación que en conjunto sumaban otros 373 MW de capacidad. [19]
Biofuel Energy Corporation de Denver, Colorado, abrió 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 de conversión de residuos sólidos urbanos cerca de Reno, Nevada . La planta está programada para abrir 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 residuos sólidos urbanos. [20]
La tecnología de conversión de residuos en energía incluye la fermentación , que puede tomar biomasa y crear etanol , utilizando material celulósico u orgánico de desecho. [17] En el proceso de fermentación, el azúcar de los desechos se convierte en dióxido de carbono y alcohol, en el mismo proceso general que se utiliza para hacer vino. Normalmente, la fermentación ocurre sin aire presente.
La esterificación también se puede realizar utilizando tecnologías de conversión de residuos en energía, y el resultado de este proceso es el biodiésel . 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 de conversión térmica bruta (combustible a gas) de hasta el 75%, sin embargo, una combustión completa es superior en términos de eficiencia de conversión de combustible. [5] Algunos procesos de pirólisis necesitan una fuente de calor externa que puede ser suministrada por el proceso de gasificación, lo que hace que el proceso combinado sea autosostenible.
En las tecnologías de WtE térmicas, casi todo el contenido de carbono en 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 fertilizantes). Los residuos sólidos urbanos (RSU) contienen aproximadamente la misma fracción de masa 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 se depositaran en vertederos , una tonelada métrica (1,1 toneladas cortas) de residuos sólidos urbanos produciría aproximadamente 62 metros cúbicos (2.200 pies cúbicos) de metano a través de la descomposición anaeróbica de la parte biodegradable de los residuos. Esta cantidad de metano tiene más del doble del potencial de calentamiento global que la tonelada métrica (1,1 toneladas cortas) de CO 2 que se habría producido por la combustión. En algunos países, se recogen grandes cantidades de gas de vertedero . Sin embargo, sigue existiendo el potencial de calentamiento global del gas de vertedero que se emite a la atmósfera. Por ejemplo, en los EE. UU. en 1999 la emisión de gas de vertedero fue aproximadamente un 32% mayor que la cantidad de CO 2 que se habría emitido por la combustión. [22]
Además, casi todos los residuos biodegradables son biomasa , es decir, tienen un origen biológico. Este material se ha formado a partir del CO2 atmosférico que emiten las plantas, normalmente durante la última temporada de crecimiento. Si estas plantas vuelven a crecer, el CO2 emitido por su combustión se eliminará de la atmósfera una vez más.
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 CO2 de los sistemas de conversión de residuos plásticos en energía son más altas que las de los sistemas actuales de energía basados en combustibles fósiles por unidad de energía generada, incluso después de considerar la contribución de la captura y almacenamiento de carbono . La generación de energía a partir de residuos plásticos aumentará significativamente para 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 residuos sólidos urbanos (RSU) son en gran medida de origen biológico (biogénico), por ejemplo, papel, cartón, madera, tela, restos de comida. Normalmente, la mitad del contenido energético de los RSU proviene de material biogénico. [25] Por lo tanto, esta energía suele reconocerse como energía renovable según el aporte 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 presentaba 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 equivalente del carbono 14 según el método estándar ASTM D6866.
El segundo método (el llamado método de equilibrio ) emplea datos existentes sobre la composición de los materiales y las condiciones de funcionamiento 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 austríacos 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 puede determinar con precisión la fracción de biomasa de los residuos, y también determinar el valor calorífico de la biomasa . La determinación del valor 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 uno encargado por la Asociación de Energía Renovable en el Reino Unido, que demuestran cómo se puede utilizar el resultado del carbono 14 para calcular el valor calorífico de la biomasa. La autoridad de los mercados de gas y electricidad del Reino Unido, Ofgem , publicó una declaración en 2011 aceptando el uso del carbono 14 como una forma de determinar el contenido de energía de biomasa de la materia prima de residuos bajo su administración de la Obligación de 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 a la Incineración (GAIA), realizado por el Centro de Diseño y Medio Ambiente Tishman de The New School , encontró que el 79% de las 73 instalaciones de conversión de residuos en energía que operaban en ese momento en los EE. UU. están ubicadas en comunidades de bajos ingresos y/o "comunidades de color", debido a " leyes históricas de segregación residencial, racial y 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 adjunta del Departamento de Ingeniería de Recursos Ambientales de la Universidad Estatal de Humboldt en California, comentó que la resistencia de la comunidad se basa tanto en la contaminación como en el hecho de que muchas de estas instalaciones se han ubicado en comunidades sin ninguna participación de la comunidad y sin ningún beneficio para la comunidad. [33]
Según un informe de 2019 del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente , hay 589 plantas de WtE en Europa y 82 en los Estados Unidos. [34]
Los siguientes son algunos ejemplos de plantas WtE.
Actualmente se está construyendo una sola planta:
La Fuerza Aérea de los Estados Unidos probó una vez una instalación Transportable Plasma Waste to Energy System (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 de residuos domésticos para su transformación en energía. Por ejemplo, el Refugio de Sarenne tiene una planta de transformación de residuos domésticos en energía. Se construye combinando una caldera de gasificación de leña con un motor Stirling . [43] [44]
Renergi ampliará su sistema de conversión de residuos orgánicos 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 4000 toneladas de residuos municipales de los vertederos y generará 8000 toneladas adicionales de residuos orgánicos de las operaciones agrícolas y forestales. El proceso patentado de “pirólisis por molienda” de Renergi tiene como objetivo convertir los materiales orgánicos en biocarbón, biogases y bioaceite mediante la aplicación de calor en un entorno con oxígeno limitado. [45]
Otro proyecto en la zona industrial de Rockingham, a unos 45 kilómetros al sur de Perth, consistirá en la construcción de una planta de 29 MW con capacidad para abastecer a 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]
La planta de conversión de residuos en energía de Reppie, en Etiopía, fue la primera de su tipo en África y comenzó a funcionar en 2018. [47]
Sin embargo, creo que hay dos problemas aquí. 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 altas, se producirá algo de contaminación", dijo Vergara. "Pero creo que el segundo problema... es la percepción pública y la aceptación de una tecnología como esta. Por eso, en los Estados Unidos, tenemos una larga historia de ubicar plantas de energía sucia e instalaciones de desechos en comunidades de color, en comunidades de bajos ingresos, que corren con los riesgos de estas instalaciones sin compartir necesariamente ninguno de los beneficios.
