Autores: Luz Marina Gallego Fernández 1, Benito Navarrete Rubia 1, Rocío González Falcón 2
1 Dpto. Ingeniería Química y Ambiental, Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla
2 Dpto. Ingeniería Energética, Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla
El Grupo de investigación de Ingeniería Ambiental y de Procesos de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla (ETSI), viene desarrollando en los últimos años diferentes estudios enfocados a la valorización energética de residuos agrícolas de origen vegetal procedentes de los cultivos de invernadero del poniente almeriense.
La problemática medioambiental asociada a la acumulación incontrolada de estos residuos, tanto en el medio rural como en los propios centros de gestión, impulsa el interés de evaluar diferentes alternativas para convertir estos residuos en un combustible adecuado para ser utilizado en la industria, poniendo de manifiesto, de esta forma, su potencial energético y el interés de su aprovechamiento como fuente de energía térmica.
En este sentido, se presenta a continuación el análisis de tres tecnologías que posibilitan la trasformación de estos residuos en un combustible sostenible: la combustión directa, la gasificación térmica y la digestión anaerobia. De cara a evaluar técnica y económicamente el efecto que tendría el uso de estos residuos en un proceso industrial, se toma como referencia su valorización en un horno de producción de clínker de una fábrica de cementos, por tratarse de uno de los sectores industriales más intensivos en el consumo de energía térmica. Los resultados obtenidos no sólo predicen una mejora de la operación de la planta, sino también unos beneficios económicos y medioambientales asociados al proceso, derivados de la sustitución de parte del combustible fósil utilizado en el horno por un biocombustible generado a partir de residuos agrícolas de carácter vegetal.
En la actualidad uno de los principales retos que debe afrontar la actividad agrícola es qué hacer con los residuos resultantes de las cosechas o los derivados del proceso industrial de transformación al que se ven sometidos. El problema de los residuos es especialmente grave en aquellos lugares en los que se concentra una actividad agrícola intensiva, siendo particularmente necesaria en estas zonas, la búsqueda de soluciones que beneficien al medio ambiente, y que conviertan a dichos residuos en una fuente de valor añadido real.
La recuperación de energía derivados de los residuos se enmarca dentro de la estrategia Europa 2020. Más concretamente, en una de las siete iniciativas emblemáticas de esta estrategia, la de “Una Europa que utilice eficazmente los recursos”. El uso de residuos agrícolas procedentes de la biomasa como fuente energética, contribuye a garantizar la seguridad del suministro energético, al mismo tiempo que permite luchar contra el cambio climático, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero y limitando los impactos medioambientales derivados de la disminución del consumo de fuentes de energía de origen fósil. En este contexto, el uso de residuos agrícolas presenta un gran potencial y una gran versatilidad, pero precisa del desarrollo de tecnologías especializadas, capaces de lograr un uso adecuado y sostenible de estos residuos.
Actualmente las soluciones propuestas para resolver el problema asociado a la acumulación de estos residuos en el medio, se centran principalmente en su compostaje y posterior reutilización en el medio agrario. La gran cantidad de residuos generados, las características propias de estos residuos, y la baja calidad del compost producido, merman las capacidades de éxito de estas propuestas, agudizando la problemática e incentivando la necesidad de encontrar nuevas soluciones a un evidente problema medioambiental.
Según datos del Instituto Tecnológico de la Industria Agroalimentaria (AINIA), el 73% de los residuos orgánicos relacionados con el sector primario en España, se corresponden con la actividad agrícola [1]. Las características y composición de estos residuos varían según la especie cultivada, la parte del vegetal de que se trate y el origen del residuo. Esto hace que presenten un contenido hídrico variable, un alto contenido de materia orgánica, una composición mineral inestable y una elevada relación C:N, aunque esta última puede variar notablemente según el origen y la composición del residuo [1]–[3].
La provincia de Almería concentra una gran cantidad de superficie de invernaderos (en torno a 35.000 ha) registrándose el 72% de la producción de hortalizas generadas en ámbito nacional, en esta región [4]. En 2015 la provincia de Almería generó aproximadamente 1,2 millones de toneladas de residuo agrícola vegetal procedente de este tipo de cultivo, lo que hace que Andalucía sea considerada un laboratorio ideal para abordar distintas líneas de trabajo e investigación asociadas a la gestión eficiente de los mismos.
En septiembre de 2016, la Junta de Andalucía, a través de las Consejerías de Agricultura, Pesca y Desarrollo Rural, y de Medio Ambiente y del Territorio, hizo público un conjunto de líneas de actuación en materia de gestión de restos vegetales dentro de la horticultura Andaluza [ 5]. Con la aplicación de estas líneas se persiguen tres objetivos principales: la gestión y reducción de restos de origen agrícola; la investigación, formación y transferencia de resultados en materia de restos vegetales; y el establecimiento de acuerdos público-privados para el desarrollo de las propuestas y el diagnóstico de la situación normativa.
En este marco, y con la incentivación que suponen estos objetivos para la búsqueda de nuevas herramientas de gestión para los residuos agrícolas de invernadero, el Grupo de Ingeniería Ambiental y de Procesos de la ETSI viene desarrollando estudios de caracterización, pretratamiento y transformación de estos residuos, con el fin de facilitar su valorización energética en el sector industrial y, de esta forma, contribuir a minimizar el impacto ambiental negativo que supone la acumulación incontrolada de los mismos en el medio natural.
Los residuos de origen vegetal evaluados en este trabajo proceden de una actividad agrícola intensiva de cultivos bajo plástico con una alta productividad. Por su naturaleza presentan la ventaja de estar disponibles a lo largo de todo el año, aunque su producción es estacional y dispersa, dificultando su recolección y acopio en los centros de gestión.
A continuación se recogen las características más relevantes asociadas a este tipo de residuos, de cara a su recuperación y manejo [6], [7].
Aprovechamiento energético
• Se producen de manera estacional
• Dificultad en la recolección y acopio de los residuos (producción dispersa)
• Elevado contenido de humedad
• Contenido en cloro elevado
• Contenido de cenizas elevado
Manejo
• Heterogeneidad de los residuos generados (diversidad de cultivos)
• Presencia de otros materiales (rafia, arena, piedras, plásticos, etc.)
• Dificultad en transporte y almacenamiento (Producción dispersa)
• Generación de residuos concentrada en momentos puntuales del año
Desde el punto de vista de su aprovechamiento energético, la heterogeneidad asociada a algunas de las principales propiedades de los residuos agrícolas de invernadero, como por ejemplo el grado de humedad, poder calorífico y contenido en cenizas y cloro, puede provocar inestabilidades en el proceso de combustión y en el proceso industrial en el que sirvan como combustible. Esta situación, junto con las dificultades asociadas a su manejo, hace que la alternativa de su recuperación energética sea considerada como un reto y como una herramienta de gestión a futuro sobre la que resulta necesario trabajar, aunque la opción de compostaje se siga manteniendo como instrumento de gestión principal para los volúmenes que demande el mercado.
La recuperación de la energía contenida en un residuo biomásico precisa, en general, de una serie de actuaciones que permitan su acondicionamiento, previo a su uso como combustible en una planta industrial. Con esta finalidad, y con en el propósito de seleccionar la tecnología de conversión más adecuada, se debe priorizar la maximización de la eficiencia de dicha operación, y la minimización del impacto ambiental asociado al proceso de conversión. Con esta visión se han analizado tres alternativas de valorización que permitan el aprovechamiento energético de los residuos en una planta de cementos: la combustión directa, la gasificación térmica, y la digestión anaerobia (Fig. 2).
De acuerdo con los estudios de caracterización, la combustión directa de los residuos en el horno de clínker requiere el establecimiento de un sistema de pretratamiento, que permita controlar y homogeneizar su humedad, poder calorífico y contenido de cloro y cenizas, para garantizar la seguridad medioambiental y operativa de la instalación.
En este sentido, se ha realizado un plan de pruebas para seleccionar los tratamientos necesarios para el control de estos parámetros, basados principalmente en una clasificación, molienda, lavado con agua o disolventes diluidos, y secado mecánico y térmico de los residuos.
Fruto de este estudio se ha conseguido definir una secuencia de operaciones de acondicionamiento capaz de mejorar el contenido energético del residuo bruto en un 8% (PCICDR próximo a 15.800 kJ/kg), reducir su contenido en cloro hasta en un 65% ([Cl]CDR menor a 0,35%), y mantener el contenido en humedad por debajo del 8%.
Esta opción precisa igualmente de un tratamiento previo de trituración, cribado y secado de los residuos. Para su caracterización se diseñó un plan de pruebas que incluyó ensayos con variadas condiciones de operación, en un gasificador de lecho fluido a escala bench.
Como resultado se establecieron las condiciones de operación que optimizan la generación del gas combustible (cantidad y calidad) adecuado para su posterior valorización como combustible gaseoso a aportar en la planta de cemento. En paralelo, se realizó un estudio de las cenizas generadas en el proceso de gasificación, con el objetivo de analizar su potencial uso como materiales de construcción.
La gasificación de este tipo de residuo genera un combustible gaseoso con una calidad energética equiparable a las obtenidas de la gasificación de otras biomasas comerciales (PCI CDR superior a 5.000 kJ/Nm3; [Cl] CDR inferior a 0,86%), con la ventaja de no precisar una limpieza antes de ser valorizado en la planta de cemento.
Dados los progresos que han tenido lugar en las últimas décadas en relación a la comprensión científica de los procesos de digestión anaerobia, una completa caracterización mediante análisis fisicoquímicos de los residuos agrícolas permite estimar la capacidad de producción de biogás y su calidad usando modelos simples de predicción. Igualmente los modelos sirven para predecir las mejoras potenciales que se pueden alcanzar cuando se opta por la codigestión de residuos agrícolas con otras biomasas de desecho.
Los resultados obtenidos de este estudio estiman que los residuos agrícolas proporcionan potenciales de generación de metano (CH4) en torno a 0,56 Nm3/kg de residuo, valor superior a los que se registran para otros residuos de biomasa como alperujo, lodos de depuradora o purín.
La calidad que predicen los modelos para el biogás generado (PCI CDR en torno a 17.800 kJ/Nm3; [Cl] CDR inferior a 5 mg/Nm3), lo hacen viable para ser utilizado como combustible en la planta de cemento. La co-digestión de estos residuos con los procedentes de la industria cárnica, favorece la calidad energética del biogás producido, estimándose un incremento de aproximadamente el 18% del poder calorífico asociado al gas producido con una digestión monosustrato.
La valorización energética de los tres combustibles derivados del residuo agrícola (CDRs) en la planta de cemento, se planteó mediante la incorporación de los mismos a través del quemador principal del horno rotativo de la instalación (Fig. 3).
Para su aprovechamiento se definió la sustitución del máximo porcentaje de combustible fósil que garantizase las condiciones de operación en el horno y la calidad del clínker producido. En este sentido, y teniendo presente las características químicas y energéticas de los combustibles obtenidos, se estimó que la incorporación del CDR obtenido del pretratamiento de los residuos provoca una reducción el consumo de combustible fósil en un 51%; el uso del gas gasificación en un 46%, y el del biogás, en un 43%.
Esta reducción supondría un ahorro económico para la planta de hasta 2,8 millones de euros, y una disminución de las ineficiencias operativas del proceso (aparición de incrustaciones y pegaduras en el interior de los equipos) asociada a la sustitución de parte del combustible fósil por combustibles procedentes de un residuo biomásico.
Ante el problema medioambiental que genera la ineficiente gestión de los residuos agrícolas de invernadero con los métodos tradicionales de gestión utilizados en la actualidad, este estudio muestra que su valorización energética para su uso como combustible alternativo en hornos de producción de clínker de cemento, constituye una solución eficaz para lograr su reutilización sostenible, aportándole además de un significativo valor añadido a estos residuos, una importante reducción del impacto ambiental de la instalación industrial.
Se ha estimado que la valorización de los productos generados de la transformación de los residuos en una planta de cemento no solo puede conllevar ahorros económicos importantes asociados a la disminución del consumo de combustible fósil utilizado, sino también una mejora de la operación de la planta, haciéndolos susceptibles de ser empleados en el horno como sustitutos del combustible fósil tradicional.
Referencias
[1] F. X. Martínez Farré.“Gestión y tratamiento de residuos agrícolas,” Revista. Técnica de Medio Ambiente, vol. 19, no. 111, pp. 62–75, 2006.
[2] J. Moreno, R. Moral, J. L. García Morales, J. A. Pascual, M. P. Bernal. “De residuo a recurso - El camino hacia la sostenibilidad". Mundi-Prensa, 2015.
[3] C. Carrión, R. Puchades, F. Fornes, R. M. Belda, V. Noguera, and M. Abad. “Producción de planta ornamental en sustratos preparados con compost de residuos de cultivos hortícolas”.VIII Jornadas de Sustratos de la SECH, vol. 47, pp. 157–162, 2006.
[4] A. Cabrera Sánchez, D. Uclés Aguilera.“Análisis de la campaña hortofrutícola de Almería”.Publicaciones Cajamar Caja Rural, 2015.
[5] Junta de Andalucia.“Líneas de actuación en materia de gestión de restos vegetales en la horticultura de Andalucía”. 2016.
[6] J. C. López Hernández, C. Pérez Martínez, F. G. Acien Fernández.“Residuos vegetales procedentes de los invernaderos de Almería”. Publicaciones Cajamar Caja Rural, Almería. 2016.
[7] D. García, A. Rezeau.“Introducción al aprovechamiento energético de los biocombustibles sólidos”. Energía de la Biomasa, vol.I, 1a Ed, Prensas Universitarias de Zaragoza, Ed. Zaragoza, 2010, pp. 27–72.
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