Alternativas para el aprovechamiento energético de residuos sólidos urbanos

Dentro de un plan de gestión de residuos urbanos (RSU) sostenible, además de las etapas de reciclado y recuperación material, se deben buscar alternativas para la valorización energética y material de la fracción de rechazo que en la actualidad se lleva a vertedero. Además de la incineración, existen tecnologías termoquímicas que pueden resultar de interés en determinados escenarios, como la gasificación y la pirolisis. En este artículo se presenta una descripción de las principales características de estas tecnologías con el objetivo de valorar su potencial aplicación en las actuales plantas de generación y tratamiento de RSU en España a corto y medio plazo.

INTRODUCCIÓN

La eliminación de residuos sólidos urbanos (RSU) mediante depósito en vertedero representa un problema medioambiental que afecta principalmente a países del sur y este de Europa, dado que en los países del norte, además de la digestión anaerobia y el compostaje, se aplica de forma habitual la incineración, lo que permite minimizar el depósito en vertedero. 

En la actualidad, el depósito en vertedero representa en torno al 31% de los RSU que se producen en la Unión Europea (Europa de los 28, EU28) aunque su aplicación varía mucho entre países, ya que en Alemania, Bélgica o Suecia el depósito en vertedero es prácticamente nulo, mientras que en otros países como Malta o Rumanía se superan tasas del 90%. En España este valor alcanza el 60%, aunque hay regiones como Andalucía donde este valor puede superar el 85%.

El problema de espacio en los vertederos, el uso y la contaminación de los suelos y el rechazo social que genera la gestión de RSU, lleva a la necesidad de buscar y valorar alternativas en aras de disminuir el volumen y la peligrosidad de los vertidos. 

Además de los factores de índole social y ambiental señalados, en España existe una gran dependencia energética del exterior, que unida a la oposición social de la energía nuclear, dificultan el desarrollo económico del país. La búsqueda de alternativas a los combustibles fósiles ha llevado a España a ser un referente en la producción de energía renovable. La valorización energética de residuos representa una forma de contribuir a la generación renovable de energía, ya que existe una fracción significativa de estos residuos que es biodegradable y, por tanto, renovable.

En los próximos años presenciaremos una reforma de la gestión de residuos en España, donde el papel de los procesos de recuperación material y energética será mucho más significativo que en la actualidad. La selección del mejor sistema de gestión de residuos pasa por un profundo conocimiento de las varias opciones disponibles, y de su uso conjunto adaptado al lugar y momento concreto de cada comarca, región o país. En este artículo se repasan las tecnologías termoquímicas disponibles en la actualidad, discutiéndose como pueden integrarse de forma óptima en España en los próximos años.

HACIA UN SISTEMA SOSTENIBLE DE GESTIÓN DE RSU

En la Ley 22/2011, de residuos y suelos contaminados, se especifica que la fracción de residuos que debe destinarse a valorización energética es aquella que no pueda ser reutilizada ni reciclada (entendiendo el compostaje como una forma de reciclaje de la materia orgánica), aunque deja abierta la posibilidad de no cumplir con la jerarquía de residuos en determinados casos muy justificados. Teniendo en cuenta esta última matización así como el RD 1481/2001, donde se establecen límites de deposición de residuos biodegradables en vertedero, se abre la posibilidad/necesidad de valorización energética cuando ésta conlleve un menor impacto global que su reciclaje, como podría ser el caso de la fracción compostable. 

En España, el compost que se produce a partir de RSU es de muy baja calidad, lo que dificulta su salida al mercado. Apenas puede aprovecharse un 6% de la fracción orgánica contenida en los RSU, por lo que una gran cantidad de material orgánico biodegradable se lleva en la actualidad a vertedero (la fracción biodegradable del rechazo puede alcanzar un 60-80%). Si además se tiene en cuenta que la fracción biodegradable se considera renovable (las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas a esa fracción son nulas según la Directiva 28/2009) se comprende la necesidad de valorización energética del rechazo.

La Ley 22/2011 recoge las operaciones de eliminación y valorización de RSU. En el campo de la conversión termoquímica ambos tipos de operaciones pueden llevarse a cabo con o sin recuperación energética. Si el objetivo de la conversión termoquímica de RSU es la recuperación energética, ya sea electricidad o calor, la operación de valorización se llevaría a cabo según la R1, que obliga al cumplimiento de una eficiencia energética mínima, para que la planta tenga derecho a una retribución según la Ley 24/2013. 

En el RD 815/2013 (trasposición de la Directiva 2010/75/UE) se aprueba el Reglamento de emisiones industriales, donde se enumeran las disposiciones especiales para las instalaciones de incineración y coincineración de residuos. En ella se especifica también que las instalaciones de gasificación o pirólisis quedarían exentas a tales disposiciones siempre que los gases resultantes de este tratamiento térmico sean purificados en la medida que el producto generado deje de ser un residuo antes de su incineración, y que puedan causar emisiones no superiores a las resultantes de la combustión de gas natural. 

En España, se acaba de publicar la versión inicial del Plan Estatal Marco de Gestión de Residuos (PEMAR) donde se recogen los objetivos para el periodo 2015-2020 en la gestión de RSU en cuanto a reutilización, reciclaje, valorización y eliminación. Dicho plan afirma que para garantizar el cumplimiento de los objetivos nacionales, las CCAA deberán cumplir como mínimo esos objetivos con los residuos generados en su territorio, salvo que la normativa sectorial establezca criterios específicos de cumplimiento. De forma específica, en dicho plan se propone: (i) incrementar la valorización energética hasta el 15% de los residuos municipales generados para el 2020, bien en instalaciones de incineración o de coincineración de residuos, (ii) limitar la valorización energética a los rechazos procedentes de instalaciones de tratamiento, (iii) valorizar energéticamente parte de los rechazos producidos en las instalaciones de tratamiento mecánico-biológico, bien directamente o mediante la preparación de combustible derivado de residuos (CDR) que podrá ser usado en instalaciones de coincineración de residuos, (iv) limitar antes del 2020, al 35% el vertido del total de los residuos municipales generados. 

En la figura 1 se propone un sistema de gestión de residuos que tiene en cuenta los aspectos legales y normativos que se han mencionado [1], especificándose la forma en la que debe implementarse el tratamiento termoquímico dentro de las diferentes opciones, en concreto, para la valorización de la fracción de rechazo del sistema de separación y reciclaje. 

En este sistema de gestión de RSU, existen claras oportunidades para las tecnologías emergentes de valorización energética como la gasificación y pirolisis, que podrían resultar ventajosas en determinados escenarios. Para entenderlo es necesario comprender los aspectos básicos de estas tecnologías.

OPCIONES TECNOLÓGICAS PARA EL TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE RSU

Existen tres tecnologías para la valorización termoquímica de RSU (y de cualquier combustible): la pirolisis, la gasificación y la combustión. El término incineración se suele emplear en el ámbito de los RSU para referirse a la combustión. En cualquier caso, el término incineración hace referencia al propósito de generar cenizas (reducción de volumen) y no tanto de aprovechamiento energético y material, como se plantea en las modernas instalaciones de tratamiento de RSU. Tanto es así, que el término incineración se ha sustituido por el de Waste to Enegy (WtE) para precisar la función principal de esta nueva generación de plantas de conversión de RSU. En realidad el término WtE se aplica también a la pirolisis y a la gasificación, así como a las múltiples combinaciones existentes encaminadas al tratamiento termoquímico de RSU que incluya la recuperación energética y material. 

Los tipos de conversores (reactores) de RSU son [2]: lecho fijo, lecho fluidizado y hornos rotatorios, habiendo un número de variantes en cada uno de ellos. Los lechos de arrastre no se emplean para el procesamiento de RSU debido principalmente a las dificultades de moler el combustible hasta los tamaños requeridos por este tipo de equipos. 

Los lechos fijos o móviles se utilizan de forma extensiva para la incineración de RSU (bajo la denominación de incineración en parrilla) y en algunos gasificadores de RSU. El uso de conversores de lecho fluidizado está bastante extendido para incineración de RSU y en principio podrían ser también usados para la gasificación de RSU. En este tipo de conversores es necesario preparar adecuadamente el combustible y se produce un importante porcentaje de cenizas volantes (para incineradores de RSU entre el 50 y el 90% de las cenizas generadas, siendo el resto cenizas obtenidas en el fondo del lecho) lo que contrasta con los incineradores de parrilla, donde la cantidad de cenizas volantes suele ser del orden del 10%. Esto tiene implicaciones en el tratamiento y reutilización de cenizas. La principal ventaja del lecho fluidizado es el menor exceso de aire utilizado, la homogenización de la temperatura (evitando picos de temperatura y emisiones de NOx) y sobre todo la posibilidad de capturar el azufre en el lecho, evitando un costoso tratamiento posterior. El contenido de azufre de los RSU suele ser muy limitado por lo que esta última ventaja parece poco justificable.

Los conversores rotatorios suelen usarse para secado, pirolisis/gasificación de RSU, normalmente como primera etapa de conversión, tras la cual se suele situar un horno donde se quema el gas o el residuo proveniente del equipo rotatorio. Este tipo de equipos tiene severas pérdidas de calor comparado con otros pero permite bien la regulación y el ajuste del tiempo de residencia del combustible, por lo que suele ser una atractiva solución para residuos peligrosos.

El proceso de conversión termoquímica de RSU basado en la utilización de plasma suele llevarse a cabo en conversores de lecho fijo o variaciones de éste, aunque también existen prototipos basados en lecho fluidizado. Existe gran controversia acerca del consumo eléctrico real de estas plantas, por lo que resulta difícil evaluarlo. En algunos estudios recientes se han calculado consumos superiores a los 400 kWh/t [2] lo que haría imposible la rentabilidad de plantas WtE encaminadas a la producción eléctrica. Esta tecnología se ha empleado en procesos donde el principal objetivo es la estabilización de las cenizas generadas mediante fusión o vitrificación [3]. 

En la Figura 2 se presentan las posibles configuraciones de plantas WtE que existen. El arreglo “0” es la producción de combustibles derivados de residuos (CDR) o sólidos recuperados (CSR) (respectivamente, RDF y SRF en Inglés) a partir de tratamientos mecánicos y biológicos para utilización en plantas “externas”. La planta externa puede ser cualquiera de las tres que se exponen debajo (1-3), aunque sería más normal en la Configuración 2 que en la 1 o 3 como se discute más abajo o, más comúnmente, en una caldera existente de otro combustible (utilización en co-combustión). 

La Configuración 1 es la combustión directa o incineración de RSU, ya sea en parrilla (más común) o en lecho fluidizado. En el caso de incineradoras de parrilla el RSU puede ser alimentado directamente sin apenas pretratamiento; por el contrario, en lecho fluidizado se necesita un pretratamiento significativo, en aras de limitar el tamaño y la proporción de inertes del combustible alimentado. Frecuentemente se lleva a cabo la separación de metales de las cenizas del lecho (cenicero o parrilla), mientras que el resto de la ceniza se lleva a vertedero o se reutiliza (a menudo en materiales de construcción, base de firme de carreteras, etc). Las cenizas volantes se llevan a vertedero clasificadas normalmente como peligrosas. La Configuración 1 es el método de valorización energética más común en Europa (incluída España) [4]).

La Configuración 2 está basada en la gasificación, es decir, combustión parcial del RSU. Se puede observar que al final de la cadena se realiza la combustión del gas, ya sea empleando un motor de combustión interna o una caldera, o bien constituye el material base para sintetizar otros productos (químicos, carburantes, etc). Esta última alternativa, aunque quizás es la que reviste mayor interés, es una opción mucho más compleja y cara y probablemente solo sería posible a largo plazo en escenarios muy concretos, por lo que no se discutirá en lo que sigue. En cualquiera de los casos es necesario limpiar el gas aunque el nivel de limpieza es muy diferente dependiendo de la aplicación. 

Cuando la combustión del gas se realiza en un motor, el gas ha de enfriarse hasta temperatura ambiente, por lo que la complejidad de la limpieza es mucho mayor, debido a la presencia de alquitranes condensables. A pesar de esta dificultad es una opción que permitiría alcanzar un rendimiento eléctrico de hasta un 30% en plantas de pequeño-mediano tamaño, aspecto muy atractivo para la gestión distribuida de la fracción de rechazos sobrante tras el reciclado en planta de tratamiento de RSU. 

En el caso de que el gas se queme en una caldera, la limpieza debe ser en caliente (400-450 ºC) para evitar la condensación de los alquitranes y conservar la energía sensible del gas, lo que obliga al uso de filtros metálicos o cerámicos y, por tanto, al encarecimiento y complejidad de la operación. Sin embargo la eliminación en el gas de metales alcalinos, aerosoles y cloro, amén de otros metales pesados y contaminantes, permite aumentar los parámetros del vapor de la caldera sin riesgos de corrosión, lo cual lleva a un aumento considerable de la eficiencia eléctrica a partir de un ciclo de Rankine. No menos importante es el hecho de que limpiar el gas antes de quemarlo en la caldera conlleva enormes ventajas (Directiva 2010/75/EC o RD 815/2013). 

La Configuración 3 engloba varios tipos de plantas de gasificación comercializadas principalmente en Japón (aunque desarrolladas inicialmente en Alemania en los años 90), donde el gas y la ceniza de la gasificación (o la pirolisis) del residuo (pretratado o no) se someten a una combustión a alta temperatura. Hay un gran número de variantes de esta configuración [2,3], pero todas tienen en común la conversión en dos pasos (gasificación o pirolisis inicial y la posterior combustin del gas) con el objetivo de estabilizar las cenizas y de quemar el gas a muy alta temperatura (eliminado totalmente contaminantes potencialmente peligrosos). El primer aspecto se basa en la separación de la ceniza en dos fracciones: una gruesa donde se obtienen metales y vidrios (en torno a 400-600ºC) y otra de cenizas vitrificadas (después de fundidas a 1300-1500ºC) donde los metales pesados quedan inmovilizados. Ello permite un reciclado casi completo de las cenizas y la eliminación del uso de vertederos. El inconveniente es el alto coste del proceso y la baja eficiencia energética, por lo que solamente es una opción interesante en países donde la supresión de vertederos es absolutamente prioritaria.

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