Aprovechamiento energético de residuos y el sector de las renovables en la UE

Alessandro Lagazio, uno de los finalistas del Desafío de bolardos de carretera de Ferrovial y Cintra, nos cuenta sus impresiones acerca del aprovechamiento energético de residuos y el sector la energía térmica renovable en la Unión Europea. Alessandro es el propietario de LA Consulting, en Génova, una consultora especializada en ingeniería mecánica. Roberto Palazzolo también contribuyó a la redacción de este artículo. 

Hoy día, las energías verdes están en el candelero más que nunca. Generalmente, cuando alguien piensa en energías renovables, las primeras que se le vienen a la mente son las energías solar (fotovoltaica) y eólica. Soy ingeniero y trabajo con distintos sistemas complejos que alimentan mi curiosidad y mis ganas de comprender mejor el estado de las energías verdes en Europa. También me ayuda a realizar una evaluación objetiva de la situación sin los prejuicios «de moda» de ese momento. He utilizado la web de Eurostat como punto de partida de dicha evaluación.

A primera vista, podemos ver buenas noticias. El bruto de energía disponible en la UE procedente de renovables y biocombustibles ha aumentado de manera estable los últimos años, como muestran estas cifras:

Existen varias causas de este aumento en el sector. Desde luego, una de las principales son los ambiciosos objetivos fijados por las instituciones para reducir las emisiones de CO2 en los útlimos años. Además, se ha puesto en marcha un sistema para la monitorización y difusión de las mejores técnicas disponibles para rebajar las emisiones contaminantes y así permitir un mayor uso de los biocombustibles y residuos sin empeorar el impacto medioambiental.

Entre las fuentes de energía renovables y verdes, el sector del aprovechamiento energético de residuos ha prosperado y se deberían hacer más investigaciones en este sentido, ya que posee numerosos desafíos tecnológicos.

Los residuos no son una fuente de energía verde per se, al menos no del todo: solo parte de los residuos sólidos urbanos (biomasa) no emiten CO2. Sin embargo, todo el mundo produce residuos continuamente cada año (residuos sólidos urbanos), que deberían ser tratados cuando no se pueden reutilizar o reciclar.

Centrémonos en los residuos sólidos urbanos, que tienen sistemas probados y más maduros para el reciclaje y la recuperación de energía (plantas de aprovechamiento energético de residuos). Gracias a Eurostat, podemos ver la generación de residuos sólidos urbanos anual.

Tratamiento de residuos urbanos, UE-28, 1995-2018 (kg per capita) Fuente: Eurostat 2020

La incineración de residuos domésticos siempre emparejada a la recuperación de energía, según la legislación europea, por lo que el aumento de su uso también ha impactado profundamente al sector energético.

Antes de nada, aquí tenemos algunos datos que explican la situación de la Unión Europea relativa a la producción de energía:

Producción primaria de energía procedente de fuentes renovables, UE-28, 1990-2015 Fuente: Eurostat (nrg110a)

Generación bruta de electricidad procedente de fuentes renovables, UE-28, 1990-2015 Fuente: Eurostat (nrg105a)

Entre las publicaciones de Eurostat, una de ellas se centra en el uso de las renovables para la calefacción y el enfriamiento.

Porcentaje del total de energía empleada para la calefacción y el enfriamiento procedente de fuentes renovables, 2017 (%)

En la UE, el porcentaje del total de la energía renovable empleada para la calefacción urbana ya alcanza el 20% de media, con un pico de casi el 70% en Suecia. Esto se debe a las tendencias relacionadas con la incineración de residuos y la recuperación energética de los residuos sólidos urbanos, que ha doblado su capacidad en los últimos 20 años.

En la siguiente tabla, se pueden observar los datos de los diferentes métodos de tratamiento de residuos sólidos urbanos.

Residuos sólidos vertidos, incinerados,  reciclados y compostados, UE-28, 1995-2018

Las plantas de aprovechamiento de residuos

Tras evaluar la importancia del aprovechamiento energético de residuos como método de recuperación de energía procedente de residuos sólidos urbanos, resulta obligatorio introducir una breve descripción de una planta de aprovechamiento energético de residuos moderna.

Las mejoras técnicas disponibles de la UE para cada sector industrial tienen el objetivo de minimizar la contaminación. Fueron emitidas por el Centro Común de Investigación de la UE y se pueden consultar en su página web.

El Centro Común de Investigación ha emitido un compendio de mejores técnicas disponibles entre varios sectores, incluida la incineración de residuos, donde un simple dibujo muestra las secciones más relevantes de una planta de aprovechamiento energético de residuos moderna (Fuente: https://eippcb.jrc.ec.europa.eu/sites/default/files/2020-01/JRC118637_WI_Bref_2019_published_0.pdf)

La imagen siguiente muestra la diferentes secciones: 

Secciones de una planta de aprovechamiento energético de residuos sólidos urbanos con un sitema de limpieza de gases de escape por proceso húmedo.

La típica planta de incineración incluye las siguientes secciones:

1. • Recepción de residuos entrantes: los residuos sólidos urbanos se transportan en camiones y se comprueba si son del tipo correcto antes de almacenarlos en el búnker.
   • Almacenamiento de residuos: los residuos sólidos urbanos se almacenan en el búnker. Normalmente, el operador de grúa realiza una selección de material, que filtra piezas grandes para evitar que atascos en la línea.
   • Pretratamiento de residuos (tanto in situ como externamente): según la tecnología del horno, será necesaria una reducción de tamaño u otro pretratamiento. Estos tratamientos se hacen in situ o en otras plantas (plantas de tratamiento mecánico biológico), que son auxiliares a la planta de aprovechamiento energético de residuos.
   • Carga de residuos en el proceso: normalmente realizado mediante una grúa situada sobre una tolva especial o, en casos especiales (combustión en lecho fluido), con alimentadores automáticos.
   • Tratamiento térmico de los residuos: el horno está actualmente integrado en la caldera (se recupera el vapor de las paredes del horno) junto con el tratamiento de gas de escape (el NOx se reduce mediante la recirculación de gas de escape y la reducción selectiva no catalítica DeNOx).
   • Sección de recuperación de energía: normalmente, se trata de una caldera que produce vapor recalentado para su uso en producción eléctrica mediante una turbina.
   • Limpieza mediante gases de escape (FGC): independientemente de DeNOx, que puede ser catalítica o no, el FGC se base normalmente en tres posibles procesos:
     1. Sistema seco: los contaminantes serán absorbidos por la inyección de cal o bicarbonatos aguas arriba en un filtro de bolsa. Los metales pesados y dioxinas se adsorben por inyección activa de carbono.
     2. Semi seco (semi húmedo): se enfriarán los gases de escape externos a la caldera mediante la inyección de lechada de cal en un reactor especial. Aguas abajo, se inyecta sorbente adicional y carbono activo antes de entrar al filtro de bolsa.
     3. Húmedo: Los gases de escape externos a la caldera pasan por un electrofiltro, luego se enfrían y saturan completamente en un lavador de gases ácido, donde se puede recuperar HCL para usarlo en otros procesos como el lavado de cenizas volantes, y se eliminan metales pesados. Los gases saturados fluyen por un lavador neutro / alcalino donde se elimina completamente el SO2. Las dioxinas se eliminan en un filtro de bolsa mediante la inyección de carbono activo al final de la línea, o mediante el uso de un reactor catalítico DeNOx/DeDiox. El lavador alcalino se puede diseñar para permitir la condensación de gases de escape, mejorando así la eficiencia energética y de eliminación de la planta.
   • Gestión de la limpieza de gases de escape: hay residuos de dos tipos: la escoria del fondo (no peligrosa) o cenizas volantes (peligrosas si no han sido pretratadas) provenientes del FGC. Las cenizas volantes y los efluentes de los lavadores se retiran y tratan en una planta antes de su eliminación. En el aprovechamiento energético de residuos moderno, las cenizas volantes se tratan en ocasiones para retirar metales pesados y permitir la recuperación de cinc antes de la reutilización o vertidos de inertes.
   • Descarga de gases de escape: aguas abajo del FGC, los gases de escape se envían a Stack.
   • Sistema de monitorización de emisiones continuas: en el sistema Stack de monitorización de emisiones continuas (CEMS) se miden varios contaminantes online para asegurar que la planta funciona correctamente dentro de los límites de las emisiones.
   • Control y tratamiento de aguas residuales (por ejemplo, procedentes del drenaje, de la limpieza de gases de escape, almacenamiento, etc.): todas las plantas de aprovechamiento energético de residuos tienen una planta de tratamiento de aguas residuales donde se tratan las aguas antes de eliminarlas. En el caso del proceso húmedo del FGC, el tratamiento de aguas residuales está diseñado para asegurar que los metales pesados y otros contaminantes sean precipitados en un lodo (reducción de volumen) y que las aguas residuales se pueden reutilizar dentro del FGC y aprovechamiento energético de residuos. En el caso del tratamiento de cenizas volantes, la planta de aguas residuales también sirve para recuperar cinc.
   • Gestión y tratamiento de las cenizas que surgen en la fase de combustión: el problema de las escorias del fondo se soluciona eliminando el hierro (que puede venderse a fabricantes de acero) y luego se envían a recuperación de material, ya que no son peligrosas.

A pesar de la complejidad de las tecnologías implicadas en el diseño del aprovechamiento energético de residuos, es una forma más sostenible de tratar los residuos sólidos urbanos que los vertederos. Estas son las ventajas:

• Se protege el suelo y el agua subterránea de la contaminación.
• Evita que los microplásticos vuelen a los ríos y mares.
• Comparado con los vertederos, evita emisiones de metano de la fermentación de la parte orgánica de los residuos sólidos urbanos. El metano tiene un efecto invernadero 25 veces mayor que el CO2.
• Aprovechar el material y la energía contenida en los residuos.

Este simple esquema muestra cuántas toneladas de combustibles fósiles podemos ahorrar gracias a las plantas de aprovechamiento energético de residuos solo en la Unión Europea:

Tradicionalmente, el aprovechamiento energético de residuos se ha centrado en FGC, ya que necesita varias fases para asegurarse de que la contaminación del aire está lo más limitada posible.

Hay dos tipos de tecnologías DeNOx:

• SNCR: reducción selectiva no catalítica, donde se inyecta amoníaco o una solución de urea directamente en la cámara post combustión para reducir el NOx. 
• SCR: reducción selectiva catalíca, donde se inyecta una solución de amoníaco aguas arriba de un reactor catalíco donde tiene lugar la reducción del NOx. En algunas plantas, este reactor también está diseñado para retirar dioxinas, las cuales están bien oxidadas en la superficie del catalizador. 

Cada proveedor de aprovechamiento energético de residuos tiene su propia tecnología para el diseño de la parte restante del FGC. Sin embargo, en los últimos años, han surgido las siguientes tendencias:

Proceso seco

En la salida de la caldera, los gases de escape se enfían hasta alcanzar una temperatura aceptable para que suceda la reacción de absorción. Como sorbente, se emplea e inyecta cal hidratada o bicarbonato aguas abajo de la fase de enfriamiento. El uso de cal hidratada como acondicionador de gases de escape por inyección de agua ha demostrado aumentar la reactividad del sorbente, mejorando la tasa de eliminación de SO2/HCl.

En el lugar donde se inyecta el sorbente, también se inyecta carbono activo en polvo (PAC) para asegurar que las dioxinas y el mercurio se adsorba y, por tanto, se retire de los gases de escape.

La reacción termina en la torta de filtrado formada en las bolsas del filtro de bolsa, la cual es un reactor de absorción real y no solo una forma de eliminar polvo.

Gracias a la forma de torta de las bolsas, el polvo se retira y se descarga. La mezcla del sorbente utilizado (las sales se forman debido a la reacción, principalmente CaCl2 y CaSO4) y el polvo dan lugar a las llamadas cenizas volantes, que son recogidas y eliminadas del filtro de bolsa. Para asegurase de que no reacciona ningún exceso de sorbente, parte de las cenizas voladoras se mezclan con sorbente nuevo y se recirculan al punto de inyección.

Al final de la línea de algunas plantas modernas, se instala un depurador y se usa con pH neutro, normalmente sosa cáustica. Más recientemente, el desarrollo de bombas de calor para la utilización de redes de calefacción urbana que funcionan a temperaturas más bajas ha permitido la posibilidad de condensar parte de los gases de escape en el depurador. De esta forma, se hace posible la recuperación de energía y, en algunos casos, el porcentaje de recuperación alcanza aproximadamente el 20% de la tasa de encendido.

Proceso húmedo

Los gases de escape salen de la caldera y pasan por un electrofiltro (ESP) donde se elimina el polvo. Tras el ESP, se prevee una extinción donde los gases de escape se saturan y enfrían completamente. Normalmente la extinción ocurre junto con una columna ácida (con pH<7), donde se recupera ácido clorhídrico. En la fase ácida, los metales pesados como el mercurio se retiran de manera eficiente, como también ocurre con gran parte del HCl del gas de escape. Los gases de escape pasan por una o más fases que se utilizan en pH neutro o alcalino (pH>=7), donde la parte restante de los ácidos de los gases, así como el SO2, son eliminados. Se compensa con agua suavizada, y la purga se envía al tratamiento de aguas residuales para que continúe la precipitación y la separación de un lodo químico que, finalmente, será eliminado.

Actualmente, en un sistema húmedo como este, la condensación del gas de escape se implementa para aumentar la eficiencia energética y la precipitación y la reducción de volumen de metales pesados y sales.

Antes de ser liberado a través del Stack, se prevé que un SCR DeNOx o un filtro de bolsa con la inyección de una mezcla de cal y PAC alcancen los límites más estrictos de emisión.

La posibilidad de producir HCl de baja concentración es, en realidad, una ventaja cuando se considera el tratamiento de las cenizas volantes para reducir todavía más la cantidad de material a eliminar, además de para la recuperación de cinc.

En la tabla siguiente, se puede encontrar una comparación de las emisiones de una planta de aprovechamiento energético de residuos moderna que sigue las mejores técnicas disponibles (una de las dos FGC anteriores) y las limitaciones de emisiones de la UE.

Recuperación de escoria

Un producto interesante del ciclo del aprovechamiento energético de residuos son las cenizas del fondo. Lo que puede parecer residuos es, en realidad, un recurso excelente Se puede extraer de él tanto acero como metales no ferrosos (10-12%) o utilizarlo como agregado para fabricar materiales de construcción.

Algunos datos clave acerca de las cenizas del fondo (fuente: CEWEP):

Yearly production (EU, 2017): circa 19 million tonnes of bottom ash (approx. 20% of the weight of the waste treated in the plants) 

Producción anual (UE, 2017): alrededor de los 19 millones de toneladas de cenizas de fondo (aproximadamente 20% del peso de los residuos tratados en las plantas).

• Composición de las cenizas de fondo: Fracción mineral 80-85%, metales 10-12% (acero y metales no ferrosos), metales no ferrosos 2-5% (de los cuales 2/3 es aluminio).
• Ahorro de gas invernadero (GHG) debido al reciclaje de metal: 2.000 kg de CO2 por tonelada de metal reciclado y, en total, 3,8 millones de toneladas de CO2 equivalente.
• La cantidad de hierro que puede reciclarse de la ceniza de fondo en Europa equivale a 26 cruceros.
• En 2014, 20.000 y 17.000 toneladas de aluminio fueron recuperadas de cenizas de fondo en Países Bajos y Francia respectivamente. Este metal se usa principalmente en fundiciones para la industria automotriz (bloques de motor, etc.).
• La parte que resta tras el reciclado de metales se utiliza para materiales de construcción.

La tasa de recuperación de chatarra depende de la composición de los residuos y de la tecnología empleada. En casos más innovadores, la tasa de recuperación puede alcanzar el 80% de los metales integrados en la ceniza de fondo. Después de entre 6 a 20 semanas transcurridas de la recuperación de metales, la ceniza de fondo es estable y se puede utilizar en construcción de carreteras o como agregado para el hormigón. Muchos países europeos utilizan la ceniza de fondo como alternativa a material virgen como grava o arena.

La Asociación Internacional de Residuos Sólidos (ISWA) ha publicado un documento muy interesante con las propiedades de la ceniza de fondo con datos recogidos en varios países.

En general, la conclusión es que la ceniza de fondo de los residuos sólidos urbanos puede sustituir no solo a la arena sino también a la grava natural en la capa sin ligar (subbase) si el contenido de materia orgánica es bajo. Se recomiendo utilizar un módulo resiliente de 70 MPa en el diseño de construcciones (los valores medidos oscilan entre los 75 y los 200 MPa) y que la tensión normal media en la ceniza de fondo esté por debajo de los 150 kPa.

La tabla aporta ejemplos de los resultados de ensayos de los países seleccionados para un número relevante de parámetros mecánicos para la evaluación de cenizas de fondo de residuos sólidos urbanos como material de construcción.

* Las plantas de aprovechamiento energético de residuos son capaces de conseguir LOIs bajos (< 2%) 
Resultados de los ensayos de las propiedades mecánicas de la incineración de ceniza de fondo de residuos sólidos urbanos (MSWIBA). La distribución del tamaño del grano se clasifica como bien graduada, lo que significa que hay una abundancia equilibrada de material grueso y fino. Esta graduación uniforme es importante para la compatibilidad de la ceniza de fondo y su potencial para ser utilizada como sustituta de un agregado.

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