Ventajas y desventajas de las tecnologías actuales para la producción de energía a partir de los residuos sólidos
Diego Moya, PhD
Esteban Játiva, MSc
TECNOLOGÍAS
WTE – Waste to Energy T – Tec RaE
Resumen de las WTE disponibles en el mercado
- Tratamiento termoquímico: incineración, pirolisis, gasificación, y uso de gases relleno sanitario.
- Tratamiento bioquímicos: aeróbica (presencia O2, compostaje), anaeróbica (sin O2, biogás), fermentación.
- Biorrefinerías y tratamiento fisicoquímico: de la basura a bio-productos y bio-combustibles.
- Sistemas integrados de gestión de residuos sólidos
Procesos termodinámicos WtE
Incineración
Emisiones: dióxido de azufre, fluoruro de hidrógeno, óxido de nitrógeno y dióxido de nitrógeno, carbono orgánico, cloruro de hidrógeno, monóxido de carbono, polvo y metales pesados volátiles.
Pirólisis
Gasificación
Sistemas Integrado de Manejo de Residuos Sólidos Urbanos (RSU)
PRE: Planta de recuperación de energía – PC: Planta de clasificación – PCt: Planta de compostaje
LIPOR, Gran Porto, Portugal
- 1982, 8 municipios, 650 km2
- 1 millón de habitantes
- 500 mil ton RSU/año
- 1.4 kg/día/pp
2021:
- 10mil ton abono
- 75mil ton material reciclado
- 183mil MWh electricidad
- US$50MM facturación
- US$20MM ganancias antes IIDA
- 200 empleos
- 15mil ton RSU evitadas
- US$1MM evitado en tratamiento RSU
- 3mil ton CO2 evitadas
I Residente: producción y eliminación
II GADs: colección y disposición
III Asociaciones PP: valorización y tratamiento
IV Clientes: venta de productos y recursos convertidos en materiales
Comparación
Tecnologías termoquímicas
Incineración
Ventajas
Usa casi todos los tipos de fracciones de RSU.
Reduce el volumen hasta un 80% y la masa hasta un 70% .
Gestiona al menos 50mil tRSU/año .
Es sencillo y rápido.
Tiene bajo OPEX.
Desventajas
Alto CAPEX.
Puede causar contaminación al aire y agua.
Produce sustancias químicas cancerígenas como las dioxinas.
Pirolisis
Ventajas
No provoca gases tóxicos.
Reduce 70-90% volumen RSU.
Produce combustibles líquidos y gaseosos pirolíticos + refinado: adhesivos, productos químicos y combustibles para motores.
Se lleva a cabo en ausencia de oxígeno.
Provoca menor cantidad de contaminación en comparación con incineración y gasificación.
Desventajas
Alto CAPEX y OPEX.
Producción de alquitrán/breas: bloqueos e ineficiencia de la planta.
Necesita profesionales altamente calificados para operar la planta.
Plantas de pirólisis es muy rara para la gestión de RSU.
Gasificación
Ventajas
Provoca menores gases tóxicos en comparación con incineración y pirólisis.
Es la más eficiente energéticamente .
Tiene más bajo CAPEX y OPEX entre las tres tecnologías termoquímicas.
Requiere cantidad estequiométrica de oxígeno limitada
Debido a alta presión y bajo volumen, el gas de síntesis producido es más fácil de limpiar.
El gas de síntesis se puede utilizar con pilas de combustible, turbinas de ciclo combinado y motores reciprocantes.
Desventajas
Libera compuestos contaminantes: álcalis, halógenos, metales pesados y alquitrán.
Álcalis deterioran turbinas de gas durante la combustión.
Halógenos son corrosivos y pueden causar lluvia ácida si se liberan en el medio ambiente.
Metales pesados son cancerígenos.
Alquitrán puede acumularse en filtros y aumentar la formación de escoria en calderas y la superficie refractaria.
Comparación
Tecnologías bioquímicas
Digestión anaeróbica
Ventajas
Bajo CAPEX y OPEX.
Reduce el riesgo de contaminación de la tierra y el agua debido a una reducción en la producción de lixiviados.
La cantidad de emisiones de GEI es menor en comparación con las tecnologías termoquímicas.
Muy eficiente para el tratamiento de residuos orgánicos.
El digestato rico en nutrientes se puede utilizar como fertilizante orgánico (N, P, K)
.
Desventajas
Solo procesa la fracción orgánica de los RSU.
Se requiere una gran extensión de terreno para instalar una planta de digestión anaerobia.
El almacenamiento y manejo de los residuos orgánicos son bastante difíciles y costosos.
Fermentación
Ventajas
Utiliza residuos de escaso valor
Produce etanol líquido de grado combustible de alta calidad.
El proceso requiere menos energía para operar.
Se lleva a cabo a una temperatura más baja (35–40 °C) en comparación con la digestión anaeróbica (40–55 °C).
El etanol producido en el proceso de fermentación tiene un mejor desempeño ambiental en comparación con la gasolina de motor.
Desventajas
El proceso es más lento en comparación con la digestión anaeróbica.
El producto final debe purificarse mediante el proceso de destilación y deshidratación.
La purificación del etanol consume mucha energía
El proceso necesita ser monitoreado y mantenido continuamente.
Se produce una gran cantidad de CO2.
Comparación
Biorrefinerías y tratamiento fisicoquímico
Transesterificación
Ventajas
Da un rendimiento muy alto de biodiesel hasta 90-98%.
Utiliza residuos de muy bajo valor.
Produce productos finales de mayor valor.
El biodiesel tiene mejores propiedades fisicoquímicas en comparación con el diésel petroquímico.
Desventajas
Requiere purificación de materia prima
Menor estabilidad a la oxidación del biodiesel
Dificultad en la recuperación del catalizador
Baja calidad de rendimiento debido a la fluctuación de la temperatura y la cantidad de ácidos grasos libres
EXPERIENCIAS EN ECUADOR
Esteban Játiva
First Biogas Internacional – Fundación Sembres
PLANTA DE MTB-AD
En el 2013, la empresa First Biogas internacional (FBI) de Suiza y la Fundación Sembres (operadora de la ETSur) realizaron un estudio de factibilidad para la implementación de una planta de Tratamiento Mecánico Biológico – con Digestión Anaeróbica usando una parte de los Residuos solidos que llegan a la ETSur, los cuales son principalmente provenientes del sur de del DMQ.
Aprovechando las áreas de la ETSUR para la implantación de las facilidades de la planta de MTB_AD.
Disponibilidad de la materia prima
PLANTA DE MTB-AD
- Materia prima existente: 560 ton/día ( 2014)
- Composición exacta de los residuos: Alrededor del 50% se componía de residuos orgánicos.
- Variación anual de la composición: No existe variación en cuanto a la composición.
Tecnología
PLANTA DE MTB-AD
La empresa First Biogas Internacional (FBI) propuso una planta Tratamiento Biológico Mecánico con Digestión Anaeróbica (MBT-AD) – para procesar 50 a 60 ton/día de fracción orgánica.
- Molino de tornillo que funciona como abridor de bolsas y realiza el pre-corte de los residuos.
- Pulper en el que se disuelve la materia orgánica, creando una suspensión.
- Tamizadora: para el tamizado y separación de impurezas, se eliminarían todos los plásticos, piedras y metales de la suspensión.
Tecnología
PLANTA DE MTB-AD
- Hidrolizador: Degradar la materia orgánica por métodos químicos para facilitar la digestión anaeróbica.
- Digestor: digestión anaerobica y obtención de biogás.
- Unidad CHP: unidad de cogeneración, se obtiene calor y energía eléctrica.
Productos
PLANTA DE MTB-AD
Calor.
Energía Eléctrica
Residuos resultante del proceso:
1.Los residuos que se separan antes del proceso de biogás: plásticos, madera, textiles, piedras, vidrios, cerámicas
2.Sustrato líquido 80%:
3.Sustrato solido digerido 20%
Lecciones aprendidas
PLANTA DE MTB-AD
Composición de los residuos:
Problema:
Residuos mezclados, presencia de materiales como pilas, pinturas, aceites sintéticos, residuos de mecánicas( guaipes, filtros, etc).
Solución:
- Planta de separación previa – Costos adicionales asociados ¿Justifica realmente ?
- Residuos procedentes de mercados y ferias libres – mayor contenido orgánico ¿Cantidad diaria?
- Otros residuos orgánicos:
- Estiércol de pollo ¿Cuantos criaderos de pollos existen cerca de la zona?
- Los residuos orgánicos de ” floricultores “ ¿Cuantas florícolas existen cerca de la zona? ¿Qué posibilidad hay de contar con esos residuos y de que cantidad se podría disponer?
- Las industrias de alimentos ( hoteles , restaurantes , productores de alimentos)
¿Costos de transporte de esta materia prima? ¿Disponibilidad de la materia prima?
¿Que hacer con el calor generado?
- Producir frio para usarlo en cuartos fríos – Cerca a la zona no existen Industrias que requieran de calor, de hecho alrededor ahora es residencial.
- Calor para esterilizar residuos peligrosos – Era factible siempre y cuando se instalen los autoclaves de esterilización en la misma ETSUR o cerca a esta. ( en la actualidad están en el inga).
- Precalentamiento del digestor para facilitar la digestión anaeróbica.
¿Qué hacer con la anergia eléctrica?
EL CONELEC permitía a inversionistas privados la posibilidad de participar en la generación de electricidad, y brindaba las condiciones de conexión y precios preferentes. Para plantas de generación menores a 5 MW – 11,05 usd/kWh y mayores a 5 MW – 9,60 usd/kWh.
Una parte se podría usar para consumo interno.
Residuos resultante del proceso:
Es uno de los temas clave para tener una planta rentable – ¿Qué hacer… ?
1.Los residuos que se separan antes del proceso de biogás:
- Plásticos, madera, textiles, metales – Reciclaje/incineracion
- Piedras, vidrios, cerámicas – Relleno sanitario ¿Costo de transporte a relleno sanitario?
2.El exceso de líquido 80%: ¿ venderlo como fertilizante?
3.Sustrato digerido 20%: ¿venderlo como fertilizante?
La calidad de estos fertilizantes depende mucho de la composición de los residuos orgánicos y los materiales “contaminantes que estos puedan tener”
Que cantidad de estos productos se tendrían?
Mercado para estos depende de cantidad y calidad – ¿Costos de mercadeo y competencia?
Lecciones aprendidas
PLANTA DE MTB-AD
- La factibilidad de la planta depende mucho de factores externos: Si bien se podría satisfacer la demanda de materia orgánica para el proceso de biodigestión, el costo asociado a este suministro debe ser considerado dentro del balance económico.
- La ubicación de la planta es importante, la ubicación de la ETSUR no era la adecuada debido a las distancia al relleno sanitario y los puntos de recogida. Además no tiene ninguna industria cercana que permita usar el calor generado.
- Introducir al mercado fertilizantes provenientes de RSU como reemplazo a fertilizantes químicos tradiciones en grandes volúmenes implicaba romper el paradigma de agricultores respecto a su uso.
- Una planta de valorización energética funciona siempre y cunado sea parte de un sistema integral de manejo de residuos solidos.
MÉTODOS DE SELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA
MÉTODOS DE SELECCIÓN
Nuevos retos: captura de carbono
Conclusiones
1 Diferentes Tec. RaE
2 Ventajas y desventajas
3 Sistemas integrales
4 Biorrefinerías
5 Método de selección
6 Experiencias en Ecuador
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