La utilización del 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 de metano más grande 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 sólo controlar su emisión sino, cuando las condiciones lo permitan, utilizarla para generar energía, compensando así la contribución de dos fuentes importantes de gases de efecto invernadero al cambio climático .
El número de proyectos de gas de vertedero, que convierten el gas en energía, pasó de 399 en 2005 a 519 en 2009 en Estados Unidos, según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos. Estos proyectos son populares porque controlan los costos de energía y reducen las emisiones de gases de efecto invernadero . Estos proyectos recolectan el gas metano y lo tratan, de modo que pueda usarse para electricidad o convertirse en gas apto para tuberías para alimentar hogares, edificios y vehículos. [3]
El gas de vertedero (LFG) se genera a través de la degradación de los residuos sólidos urbanos (RSU) y otros residuos biodegradables, por parte de microorganismos . Las condiciones aeróbicas (presencia de oxígeno) provocan predominantemente emisiones de CO 2 . En condiciones anaeróbicas, como es típico en los vertederos, se produce metano y CO 2 en una proporción de 60:40.
Metano ( CH
4) es el componente importante del gas de vertedero, ya que tiene un poder 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 desechos de alimentos , papel compuesto y cartón corrugado , que comprenden 19,4 ± 5,5 %, 21,9 ± 5,2 % y 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 según la antigüedad del vertedero. Hay 4 fases habituales por las que pasa un tramo de un vertedero de RSU tras su colocación. Normalmente, 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 en unos cinco años y comenzará a disminuir. [7] El gas de vertedero sigue la descomposición cinética de primer orden después de que comienza la disminución con un valor k que oscila entre 0,02 año-1 para condiciones áridas y 0,065 año-1 para condiciones húmedas. [4]
El Programa de extensión de metano de vertederos (LMOP) proporciona el LandGEM (modelo de emisiones de gas de vertedero), 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 municipales (RSU) oscilan entre 25 y 10.000 m 3 /h, mientras que los vertederos suelen oscilar entre 100.000 m 3 y 10 millones de m 3 de residuos in situ. [5]
El gas de vertedero de RSU normalmente tiene 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 (tapado) inadecuado del vertedero. [8] Dependiendo de la composición de los residuos existentes, hay muchos otros componentes menores que comprenden aproximadamente el 1%, que incluye H
2S , NO
X, ENTONCES
2, CO , compuestos orgánicos volátiles distintos del metano (COVNM), hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), dibenzodioxinas policloradas (PCDD), dibenzofuranos policlorados (PCDF), etc. Todos estos gases son perjudiciales para la salud humana en dosis elevadas. [5]
La recolección de gas de vertedero generalmente se logra mediante la instalación de pozos (verticales y/u horizontales) en la masa de desechos. La heurística de diseño para pozos verticales requiere aproximadamente un pozo por acre de superficie de vertedero, mientras que los pozos horizontales normalmente están espaciados entre 50 y 200 pies entre sí en el centro. [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 efectivos para recolectar.
El gas de vertedero se extrae y se conduce a un cabezal de recolección principal, donde se envía para ser tratado o quemado. El cabezal de recolección 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 cabezal de recolección y más abajo. Se estima que un sistema de recolección de gas de vertedero de 40 acres (160 000 m 2 ) con una antorcha diseñada para una tasa de extracción de 600 pies 3 /min costará $991 000 (aproximadamente $24 000 por acre) con costos anuales de operación y mantenimiento de $166 000 por año a $2250 por bueno, $4,500 por antorcha y $44,500 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 su liberación incontrolada a la atmósfera. Cien m 3 /h es un umbral práctico para la quema en Estados Unidos. En el Reino Unido se utilizan motores de gas con una capacidad inferior a 100 m3/h. [5] Las antorchas son útiles en todos los sistemas de gas de vertederos, ya que pueden ayudar a controlar los picos excesivos de extracción de gas 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 porque proporcionan altas temperaturas de combustión y tiempos de residencia específicos, además de limitar el ruido y la contaminación lumínica. Algunos estados de EE. UU. exigen el uso de bengalas cerradas en lugar de bengalas abiertas. Las temperaturas de combustión y los tiempos de residencia más elevados destruyen componentes no deseados, como los hidrocarburos no quemados. Los valores generalmente aceptados son una temperatura de los gases de escape de 1000 °C con un tiempo de retención de 0,3 segundos, lo 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 superior a 1100 °C, existe el peligro de formación exponencial de NOx térmico. [12]
El gas de vertedero debe tratarse 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 u hornos. El uso del gas en la generación de electricidad normalmente 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, dependiendo de las especificaciones del uso final. Dos componentes que tal vez sea necesario eliminar son los siloxanos y los compuestos de azufre , que dañan los equipos y aumentan significativamente los costos de mantenimiento. La adsorción y la absorción son las tecnologías más comunes utilizadas en el procesamiento de tratamiento secundario. [9]
Los ductos transmiten el gas a calderas , secadores u hornos , donde se utiliza de manera muy similar al gas natural. El gas de vertedero es más barato que el gas natural y tiene aproximadamente la mitad del poder calorífico de 16.785 – 20.495 kJ/m3 (450 – 550 Btu/ft3) en comparación con 35.406 kJ/m3 (950 Btu/ft3) del gas natural. [13] Con frecuencia se utilizan calderas, secadores y hornos 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 8.000 y 10.000 libras por hora de vapor por cada millón de toneladas métricas de residuos in situ 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 de propiedad de General Motors que han implementado calderas de gas de vertedero. [14] Las desventajas de las calderas, secadores y hornos son que es necesario adaptarlos para aceptar el gas y que el usuario final debe estar cerca (a menos de 5 millas), ya que será necesario construir tuberías.
En situaciones con bajas tasas de extracción de gas, el gas puede alimentar calentadores infrarrojos en edificios cercanos al vertedero, proporcionar calor y energía a invernaderos locales y alimentar las actividades intensivas en energía de un estudio dedicado a la alfarería, el trabajo del metal 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 de baja tasa de extracción de gas. [9]
El gas procedente del vertedero se puede utilizar para evaporar el lixiviado en situaciones en las que su tratamiento es bastante caro. La instalación del sistema para evaporar el lixiviado cuesta entre $ 300 000 y $ 500 000, con costos de operación y mantenimiento de $ 70 000 a $ 95 000 por año. Un evaporador de 30.000 galones por día cuesta entre 0,05 y 0,06 dólares por galón. El costo por galón aumenta a medida que disminuye el tamaño del evaporador. Un evaporador de 10.000 galones por 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 con alto contenido de 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 licuado ). 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 la depuración con aminas. El oxígeno y el nitrógeno se controlan mediante el diseño y la operación adecuados del vertedero, ya que la causa principal de la presencia de oxígeno o nitrógeno en el gas es la intrusión desde el exterior al vertedero debido a una diferencia de presión. Se puede esperar que el equipo de procesamiento con alto contenido de Btu cueste entre $2,600 y $4,300 por pie cúbico estándar por minuto (scfm) de gas de vertedero. Los costos anuales oscilan entre $875.000 y $3,5 millones para operar, mantener y suministrar 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 generado $1,40 por galón de gasolina equivalente con un caudal de 250 scfm. [9] El costo por galón equivalente se reduce a medida que aumenta el caudal de gas. El GNL se puede producir mediante la licuación del 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 problemas de congelación encontrados en la producción, y el nitrógeno debe reducirse lo suficiente para lograr al menos 96% metano. Se estima que una instalación de $20 millones generará $0,65/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 lo suficientemente grande, se podría utilizar una turbina de gas o un motor de combustión interna para producir electricidad para venderla comercialmente o utilizarla en el sitio.
Más del 70 por ciento de todos los proyectos de electricidad en vertederos utilizan motores de pistón alternativo (RP) , una forma de motor de combustión interna , debido a su costo relativamente bajo, su alta eficiencia y su buen tamaño compatible con la mayoría de los vertederos. Los motores RP suelen alcanzar una eficiencia del 25 al 35 por ciento con gas de vertedero. Sin embargo, los motores RP se pueden agregar o quitar para seguir las tendencias del gas. Cada motor puede alcanzar entre 150 kW y 3 MW, dependiendo del flujo de gas. Un motor RP (menos de 1 MW) normalmente puede costar $2300 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 , otra forma 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 con carga parcial. Las turbinas de gas tienen costos de mantenimiento y emisiones de óxido de nitrógeno relativamente bajos en comparación con los motores RP. Las turbinas de gas requieren una alta compresión del gas, lo que utiliza más electricidad para comprimirlo, lo que reduce la eficiencia. Las turbinas de gas también son más resistentes a los daños corrosivos que los motores RP. Las turbinas de gas necesitan un mínimo de 1300 cfm y normalmente superan los 2100 cfm y pueden generar de 1 a 10 MW. Una turbina de gas (más de 3 MW) normalmente puede costar $1,400 por kW con costos anuales de operación y mantenimiento de $130 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 menos contenido de metano (tan solo un 35 por ciento). Las microturbinas requieren un tratamiento exhaustivo del gas y vienen en tamaños de 30, 70 y 250 kW. Una microturbina (menos de 1 MW) normalmente puede costar $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 pilas de combustible de carbonato fundido podrían funcionar con gas de vertedero. Las pilas de combustible de carbonato fundido requieren menos pureza que las pilas de combustible típicas, pero aun así requieren un tratamiento exhaustivo. Las pilas de combustible de carbonato fundido requieren la separación de gases ácidos (HCl, HF y SO 2 ), la oxidación de COV (eliminación de H 2 S) y la eliminación de siloxano. [16] Las pilas de combustible normalmente funcionan con hidrógeno y el hidrógeno se puede producir a partir de gas de vertedero. El hidrógeno utilizado en las pilas de combustible tiene cero emisiones, alta eficiencia y bajos costos de mantenimiento. [13]
Existen varios incentivos para proyectos de gas de vertedero para proyectos estadounidenses 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. Normalmente, los incentivos adoptan la 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 vertederos de más de 150 kW. [19] Varios estados y fundaciones privadas dan incentivos a proyectos de gas de vertedero. Un Estándar de Cartera de Energías Renovables (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 exigen que todos los servicios públicos cumplan, mientras que otros exigen que cumplan únicamente los servicios públicos. [18]
En 2005, 166 millones de toneladas de RSU fueron desechadas en vertederos en Estados Unidos. [20] Por cada tonelada de RSU se generan aproximadamente 120 kg de metano. El metano tiene un potencial de calentamiento global 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 reducir las emisiones de metano. Sin embargo, los sistemas de recolección de gas de vertedero no recolectan 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 se genera a partir de depósitos de desechos que ya están en su lugar. 450 de los 2.300 vertederos en los Estados Unidos tienen proyectos operativos de utilización de gas de vertedero en 2007. LMOP ha estimado que aproximadamente 520 vertederos que existen actualmente podrían utilizar gas de vertedero (suficiente para alimentar a 700.000 hogares). Los proyectos de gas de vertedero también disminuyen 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 equivalen aproximadamente a 17.500.000 acres (7.100.000 ha) de bosques de pinos o abetos o las emisiones anuales de 14.000.000 de vehículos de pasajeros. [23]
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