El uso de gas de vertedero es un proceso de recolección, procesamiento y tratamiento del metano u otro gas emitido por la descomposición de la basura para producir electricidad, calor, combustibles y diversos compuestos químicos. Después de los combustibles fósiles y la agricultura, el gas de vertedero es la tercera fuente más grande de metano generada por el hombre. [1] En comparación con el CO 2 , el metano es 25 [2] veces más potente como gas de efecto invernadero . Es importante no solo controlar su emisión sino, cuando las condiciones lo permitan, usarlo para generar energía, compensando así la contribución de dos fuentes principales de gases de efecto invernadero al cambio climático .
Según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, el número de proyectos de gas de vertedero, que convierten el gas en energía, pasó de 399 en 2005 a 519 en 2009. Estos proyectos son populares porque controlan los costos de energía y reducen las emisiones de gases de efecto invernadero . Estos proyectos recogen el gas metano y lo tratan, de modo que se pueda utilizar para generar electricidad o transformarlo en gas de grado de gasoducto para suministrar energía a hogares, edificios y vehículos. [3]
El gas de vertedero (LFG, por sus siglas en inglés) se genera a través de la degradación de los residuos sólidos urbanos (RSU) y otros residuos biodegradables, por microorganismos . Las condiciones aeróbicas (presencia de oxígeno) dan lugar a emisiones predominantemente de CO2 . En condiciones anaeróbicas, como es habitual en los vertederos, se producen metano y CO2 en una proporción de 60:40 .
Metano ( CH
4) es un componente importante del gas de vertedero, ya que tiene un valor calorífico de 33,95 MJ/Nm^3, lo que genera beneficios en la generación de energía. [5] La cantidad de metano que se produce varía significativamente según la composición de los residuos. La mayor parte del metano producido en los vertederos de RSU se deriva de residuos de alimentos , papel compuesto y cartón corrugado , que comprenden el 19,4 ± 5,5 %, el 21,9 ± 5,2 % y el 20,9 ± 7,1 % respectivamente en promedio de los vertederos de RSU en los Estados Unidos. [6]
La tasa de producción de gas de vertedero varía con la edad del vertedero. Hay 4 fases comunes por las que pasa una sección de un vertedero de RSU después de su colocación. Por lo general, en un vertedero grande, diferentes áreas del sitio estarán en diferentes etapas al mismo tiempo. La tasa de producción de gas de vertedero alcanzará un máximo alrededor de los 5 años y comenzará a disminuir. [7] El gas de vertedero sigue una descomposición cinética de primer orden después de que comienza la disminución con un valor k que varía de 0,02 año-1 para condiciones áridas y 0,065 año-1 para condiciones húmedas. [4]
El Programa de Difusión de Metano en Vertederos (LMOP) proporciona el LandGEM (Landfill Gas Emissions Model), un modelo de descomposición de primer orden que ayuda a determinar la producción de gas de vertedero para un vertedero individual. [4] Normalmente, las tasas de extracción de gas de un vertedero de residuos sólidos urbanos (RSU) varían de 25 a 10 000 m 3 /h, mientras que los vertederos suelen tener entre 100 000 m 3 y 10 millones de m 3 de residuos en el lugar. [5]
El gas de vertedero de RSU normalmente contiene aproximadamente entre un 45 y un 60 % de metano y entre un 40 y un 60 % de dióxido de carbono, dependiendo de la cantidad de aire introducido en el sitio, ya sea a través de la extracción activa de gas o por un sellado inadecuado (taponamiento) del vertedero. [8] Dependiendo de la composición de los desechos en el lugar, hay muchos otros componentes menores que comprenden aproximadamente el 1 %, que incluyen H
2S , NO
incógnita, ENTONCES
2, CO , compuestos orgánicos volátiles no metánicos (COVNM), hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), dibenzodioxinas policloradas (PCDD), dibenzofuranos policlorados (PCDF), etc. Todos estos gases son nocivos para la salud humana en dosis altas. [5]
La recolección de gases de vertedero se realiza normalmente mediante la instalación de pozos (verticales y/o horizontales) en la masa de desechos. Las heurísticas de diseño para pozos verticales requieren aproximadamente un pozo por acre de superficie de vertedero, mientras que los pozos horizontales normalmente están espaciados entre 50 y 200 pies entre sí. [9]
La recolección eficiente de gas se puede lograr tanto en vertederos abiertos como cerrados, pero los vertederos cerrados tienen sistemas que son más eficientes, debido a un mayor despliegue de infraestructura de recolección ya que no se produce un llenado activo. En promedio, los vertederos cerrados tienen sistemas de recolección de gas que capturan alrededor del 84% del gas producido, en comparación con aproximadamente el 67% de los vertederos abiertos. [11] El gas de vertedero también se puede extraer a través de zanjas horizontales en lugar de pozos verticales. Ambos sistemas son eficaces para la recolección.
El gas de vertedero se extrae y se transporta por tuberías a un colector principal, donde se envía para su tratamiento o quema. El colector principal se puede conectar al sistema de recolección de lixiviados para recolectar el condensado que se forma en las tuberías. Se necesita un soplador para extraer el gas de los pozos de recolección hasta el colector y luego aguas abajo. Se estima que un sistema de recolección de gas de vertedero de 40 acres (160.000 m2 ) con una antorcha diseñada para una tasa de extracción de 600 pies cúbicos por minuto cuesta 991.000 dólares (aproximadamente 24.000 dólares por acre) con costos anuales de operación y mantenimiento de 166.000 dólares por año a 2.250 dólares por pozo, 4.500 dólares por antorcha y 44.500 dólares por año para operar el soplador (2008). LMOP proporciona un modelo de software para predecir los costos del sistema de recolección. [9]
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Si las tasas de extracción de gas no justifican el uso directo o la generación de electricidad, el gas puede quemarse para evitar una liberación incontrolada a la atmósfera. Cien m 3 /h es un umbral práctico para la quema en los EE. UU. En el Reino Unido, se utilizan motores de gas con una capacidad de menos de 100 m3 /h. [5] Las antorchas son útiles en todos los sistemas de gas de vertedero, ya que pueden ayudar a controlar los picos de extracción de gas excesivos y los períodos de inactividad por mantenimiento. En el Reino Unido y la UE, las antorchas cerradas, desde las cuales la llama no es visible, son obligatorias en los vertederos modernos. Las antorchas pueden ser abiertas o cerradas, pero estas últimas suelen ser más caras, ya que proporcionan altas temperaturas de combustión y tiempos de residencia específicos, además de limitar la contaminación acústica y lumínica. Algunos estados de EE. UU. requieren el uso de antorchas cerradas en lugar de antorchas abiertas. Las temperaturas de combustión y los tiempos de residencia más altos destruyen los componentes no deseados, como los hidrocarburos no quemados. Los valores generales aceptados son una temperatura de los gases de escape de 1000 °C con un tiempo de retención de 0,3 segundos , que se dice que da como resultado una eficiencia de destrucción superior al 98%. La temperatura de combustión es un factor de control importante, ya que si es mayor de 1100 °C, existe el peligro de formación exponencial de NOx térmico. [12]
El gas de vertedero debe ser tratado para eliminar impurezas, condensado y partículas. El sistema de tratamiento depende del uso final. Se necesita un tratamiento mínimo para el uso directo del gas en calderas, hornos o estufas. El uso del gas en la generación de electricidad generalmente requiere un tratamiento más profundo. Los sistemas de tratamiento se dividen en procesamiento de tratamiento primario y secundario. Los sistemas de procesamiento primario eliminan la humedad y las partículas . El enfriamiento y la compresión del gas son comunes en el procesamiento primario. Los sistemas de tratamiento secundario emplean múltiples procesos de limpieza, físicos y químicos, según las especificaciones del uso final. Dos componentes que pueden necesitar ser eliminados son los siloxanos y los compuestos de azufre , que son dañinos para el equipo y aumentan significativamente el costo de mantenimiento. La adsorción y la absorción son las tecnologías más comunes utilizadas en el procesamiento de tratamiento secundario. [9]
Las tuberías transmiten gas a calderas , secadoras u hornos , donde se utiliza de la misma manera que el gas natural. El gas de vertedero es más barato que el gas natural y tiene aproximadamente la mitad del valor calorífico, entre 16 785 y 20 495 kJ/m3 (450 y 550 Btu/ft3), en comparación con los 35 406 kJ/m3 (950 Btu/ft3) del gas natural. [13] Las calderas, secadoras y hornos se utilizan a menudo porque maximizan el uso del gas, se necesita un tratamiento limitado y el gas se puede mezclar con otros combustibles. Las calderas utilizan el gas para transformar el agua en vapor para su uso en diversas aplicaciones. En el caso de las calderas, se pueden generar entre 8000 y 10 000 libras por hora de vapor por cada millón de toneladas métricas de residuos en el lugar en el vertedero. [9] La mayoría de los proyectos de uso directo utilizan calderas. General Motors ahorra $500,000 en costos de energía por año en cada una de las cuatro plantas propiedad de General Motors que han implementado calderas de gas de vertedero. [14] Las desventajas de las calderas, secadoras y hornos son que necesitan ser modernizados para aceptar el gas y el usuario final tiene que estar cerca (aproximadamente a 5 millas) ya que será necesario construir tuberías.
En situaciones en las que la extracción de gas tiene un bajo índice, el gas puede utilizarse para alimentar calentadores infrarrojos en edificios cercanos al vertedero, proporcionar calor y energía a invernaderos locales y alimentar las actividades de alto consumo energético de un taller dedicado a la alfarería, la metalistería o el soplado de vidrio. El calor es bastante económico de emplear con el uso de una caldera. Se necesitaría una microturbina para proporcionar energía en situaciones en las que el índice de extracción de gas es bajo. [9]
El gas que sale del vertedero se puede utilizar para evaporar el lixiviado en situaciones en las que su tratamiento es bastante costoso. El sistema para evaporar el lixiviado cuesta entre 300.000 y 500.000 dólares y los costes de funcionamiento y mantenimiento oscilan entre 70.000 y 95.000 dólares al año. Un evaporador de 30.000 galones al día cuesta entre 0,05 y 0,06 dólares por galón. El coste por galón aumenta a medida que disminuye el tamaño del evaporador. Un evaporador de 10.000 galones al día cuesta entre 0,18 y 0,20 dólares por galón. [9] Las estimaciones están en dólares de 2007.
El gas de vertedero se puede convertir en gas de alto Btu reduciendo su contenido de dióxido de carbono, nitrógeno y oxígeno. El gas de alto Btu se puede canalizar a través de tuberías de gas natural existentes o en forma de GNC ( gas natural comprimido ) o GNL ( gas natural líquido ). El GNC y el GNL se pueden utilizar en el sitio para impulsar camiones o equipos de transporte o venderse comercialmente. Tres métodos comúnmente utilizados para extraer el dióxido de carbono del gas son la separación por membrana, el tamiz molecular y el lavado con aminas. El oxígeno y el nitrógeno se controlan mediante el diseño y el funcionamiento adecuados del vertedero, ya que la causa principal del oxígeno o el nitrógeno en el gas es la intrusión desde el exterior en el vertedero debido a una diferencia de presión. Se puede esperar que el equipo de procesamiento de alto Btu cueste entre $ 2,600 y $ 4,300 por pie cúbico estándar por minuto (scfm) de gas de vertedero. Los costos anuales varían de $ 875,000 a $ 3.5 millones para operar, mantener y proporcionar electricidad. [9] Los costos dependen de la calidad del gas del producto final, así como del tamaño del proyecto. La primera instalación de gas de vertedero a GNL en los Estados Unidos fue el vertedero Frank R. Bowerman en el condado de Orange, California . El mismo proceso se utiliza para la conversión a GNC, pero a menor escala. El proyecto de GNC en el vertedero de Puente Hills en Los Ángeles ha logrado 1,40 dólares por galón de gasolina equivalente con un caudal de 250 scfm. [9] El coste por galón equivalente se reduce a medida que aumenta el caudal de gas. El GNL se puede producir mediante la licuefacción de GNC. Sin embargo, el contenido de oxígeno debe reducirse a menos del 0,5% para evitar problemas de explosión, el contenido de dióxido de carbono debe ser lo más cercano a cero posible para evitar los problemas de congelación que se producen en la producción, y el nitrógeno debe reducirse lo suficiente para lograr al menos el 96% de metano. Se estima que una instalación de 20 millones de dólares alcanzaría 0,65 dólares por galón para una planta que produce 15.000 galones/día de GNL (3.000 scfm). [9] Las estimaciones están en dólares de 2007.
Si la tasa de extracción de gas de vertedero es suficientemente grande, se podría utilizar una turbina de gas o un motor de combustión interna para producir electricidad para vender comercialmente o utilizar en el sitio.
Más del 70 por ciento de todos los proyectos de electricidad de vertederos utilizan motores de pistón alternativo (RP) , una forma de motor de combustión interna , debido a su costo relativamente bajo, alta eficiencia y buena compatibilidad de tamaño con la mayoría de los vertederos. Los motores RP generalmente logran una eficiencia del 25 al 35 por ciento con gas de vertedero. Sin embargo, se pueden agregar o quitar motores RP para seguir las tendencias del gas. Cada motor puede alcanzar de 150 kW a 3 MW, dependiendo del flujo de gas. Un motor RP (menos de 1 MW) normalmente puede costar $2,300 por kW con costos anuales de operación y mantenimiento de $210 por kW. Un motor RP (más de 800 kW) normalmente puede costar $1,700 por kW con costos anuales de operación y mantenimiento de $180 por kW. [9] Las estimaciones están en dólares de 2010.
Las turbinas de gas , otro tipo de motor de combustión interna, suelen alcanzar una eficiencia del 20 al 28 por ciento a plena carga con gas de vertedero. Las eficiencias disminuyen cuando la turbina funciona a carga parcial. Las turbinas de gas tienen costes de mantenimiento y emisiones de óxido de nitrógeno relativamente bajos en comparación con los motores RP. Las turbinas de gas requieren una alta compresión de gas, que utiliza más electricidad para comprimir, lo que reduce la eficiencia. Las turbinas de gas también son más resistentes al daño corrosivo que los motores RP. Las turbinas de gas necesitan un mínimo de 1.300 cfm y normalmente superan los 2.100 cfm y pueden generar de 1 a 10 MW. Una turbina de gas (superior a 3 MW) normalmente puede costar 1.400 dólares por kW con unos costes anuales de operación y mantenimiento de 130 dólares por kW. [9] Las estimaciones están en dólares de 2010.
Las microturbinas pueden producir electricidad con menores cantidades de gas de vertedero que las turbinas de gas o los motores RP. Las microturbinas pueden operar entre 20 y 200 cfm y emitir menos óxidos de nitrógeno que los motores RP. Además, pueden funcionar con un menor contenido de metano (tan solo un 35 por ciento). Las microturbinas requieren un tratamiento extenso de los gases y vienen en tamaños de 30, 70 y 250 kW. Una microturbina (de menos de 1 MW) puede costar típicamente $5,500 por kW con costos anuales de operación y mantenimiento de $380 por kW. [9] Las estimaciones están en dólares de 2010.
Se han realizado investigaciones que indican que las celdas de combustible de carbonato fundido podrían alimentarse con gas de vertedero. Las celdas de combustible de carbonato fundido requieren menos pureza que las celdas de combustible típicas, pero aún requieren un tratamiento extenso. La separación de gases ácidos (HCl, HF y SO2 ) , la oxidación de COV ( eliminación de H2S) y la eliminación de siloxano son necesarias para las celdas de combustible de carbonato fundido. [ 16] Las celdas de combustible generalmente funcionan con hidrógeno y el hidrógeno se puede producir a partir de gas de vertedero. El hidrógeno utilizado en las celdas de combustible tiene cero emisiones, alta eficiencia y bajos costos de mantenimiento. [13]
Existen varios incentivos para proyectos de gas de vertedero en los Estados Unidos a nivel federal y estatal. El Departamento del Tesoro , el Departamento de Energía , el Departamento de Agricultura y el Departamento de Comercio ofrecen incentivos federales para proyectos de gas de vertedero. Por lo general, los incentivos se presentan en forma de créditos fiscales, bonos o subvenciones. Por ejemplo, el Crédito Fiscal para la Producción de Electricidad Renovable (PTC) otorga un crédito fiscal corporativo de 1,1 centavos por kWh para proyectos de vertedero de más de 150 kW. [19] Varios estados y fundaciones privadas otorgan incentivos para proyectos de gas de vertedero. Un Estándar de Cartera Renovable (RPS) es un requisito legislativo para que las empresas de servicios públicos vendan o generen un porcentaje de su electricidad a partir de fuentes renovables, incluido el gas de vertedero. Algunos estados requieren que todas las empresas de servicios públicos cumplan, mientras que otros requieren que solo las empresas de servicios públicos cumplan. [18]
En 2005, 166 millones de toneladas de RSU fueron desechadas en vertederos en los Estados Unidos. [20] Aproximadamente 120 kg de metano se generan por cada tonelada de RSU. El metano tiene un potencial de calentamiento global de 25 [2] veces más efectivo como gas de efecto invernadero que el dióxido de carbono en un horizonte temporal de 100 años. Se estima que más del 10% de todas las emisiones antropogénicas globales de metano provienen de vertederos. [21] Los proyectos de gas de vertedero ayudan a ayudar en la reducción de las emisiones de metano. Sin embargo, los sistemas de recolección de gas de vertedero no recogen todo el gas generado. Alrededor del 4 al 10 por ciento del gas de vertedero escapa del sistema de recolección de un vertedero típico con un sistema de recolección de gas. [22] El uso de gas de vertedero se considera una fuente de combustible verde porque compensa el uso de combustibles dañinos para el medio ambiente como el petróleo o el gas natural , destruye el gas metano que atrapa el calor y el gas es generado por depósitos de desechos que ya están en el lugar. En 2007, de los 2.300 vertederos de los Estados Unidos, 450 tenían proyectos operativos de utilización de gas de vertedero. LMOP ha estimado que aproximadamente 520 vertederos que existen actualmente podrían utilizar gas de vertedero (suficiente para abastecer a 700.000 hogares). Los proyectos de gas de vertedero también reducen la contaminación local y crean empleos, ingresos y ahorros de costos. [22] De los aproximadamente 450 proyectos de gas de vertedero operativos en 2007, se generaron 11 mil millones de kWh de electricidad y se suministraron 78 mil millones de pies cúbicos de gas a los usuarios finales. Estos totales ascienden a aproximadamente 17.500.000 acres (7.100.000 ha) de bosques de pino o abeto o a las emisiones anuales de 14.000.000 de vehículos de pasajeros. [23]
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