6ª Sesión: 3 horas VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE …

Xavier Elias 1

6ª Sesión: 3 horas VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE RESIDUOS.

APLICACIONES.

Índice: COMPOSICIÓN Y CAPACIDAD ENERGÉTICA DE LOS RSU................................ 2

DIAGRAMA DE INCINERACIÓN DE LOS RSU .................................................. 3 LA INCINERACIÓN DE LOS RSU......................................................................... 4 TRATAMIENTO INTEGRAL DE LOS RSU EN MASA ........................................ 5 LA METANIZACIÓN.............................................................................................. 6 DESTINO DE LAS EMISIONES EN LAS INCINERADORAS .............................. 7 FORMACIÓN DE DIOXINAS Y FURANOS.......................................................... 8 EFECTOS Y DESTINO DE DIOXINAS Y FURANOS ........................................... 9 TRATAMIENTO DE GASES POR VÍA SECA ..................................................... 10 TRATAMIENTO DE GASES POR VÍA HÚMEDA .............................................. 11

GENERALIDADES SOBRE LA BIOMASA............................................................. 12 LA BIOMASA DENTRO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES .......................... 12 EFICACIA DEL PROCESO FOTOSINTÉTICO.................................................... 13 CLASIFICACIÓN DE LA BIOMASA ................................................................... 14 CULTIVOS ENERGÉTICOS................................................................................. 15

PROCESOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA......................... 16 COMBUSTIÓN DE NEUMÁTICOS USADOS ..................................................... 17 GASIFICACIÓN DE MEZCLAS DE RESIDUOS: BIOMASA Y RSU ................. 18 GASIFICACIÓN DE RESIDUOS FORESTALES ................................................. 19 LA PIRÓLISIS DE LOS RSU ................................................................................ 20 PIRÓLISIS DE RESIDUOS COMBUSTIBLES ..................................................... 21 RECICLAJE TÉRMICO DE NEUMÁTICOS Y ACEITES USADOS ................... 22

BIOREFINERÍAS ...................................................................................................... 23 CONVERSIÓN DE BIOMASA EN ALCOHOL .................................................... 23 METANOL A PARTIR DE RESIDUOS POR GASIFICACIÓN............................ 24 FERMENTACIÓN METÁNICA DE LA BIOMASA............................................. 25

LA COGENERACIÓN............................................................................................... 26 COGENERACIÓN CON TURBINAS DE GAS..................................................... 27 LA COGENERACIÓN CON TURBINAS DE VAPOR ......................................... 28 RECUPERACIÓN DE BIOGÁS EN UN VERTEDERO........................................ 29 VALORIZACIÓN DE PURINES ........................................................................... 30

RECUPERACIÓN DE ENERGÍA EN UN PROCESO DE PLASMA ........................ 31 LA CELULA DE COMBUSTIBLE............................................................................ 32

TIPOS DE CÉLUL AS DE COMBUSTIBLE......................................................... 33 FUENTES BIBLIOGRAFICAS ................................................................................. 34

Aplicaciones de la valorización energética de los residuos 2

COMPOSICIÓN Y CAPACIDAD ENERGÉTICA DE LOS RSU Los residuos sólidos urbanos (RSU) se mencionan expresamente por dos motivos principales. En primer lugar por que sin duda son los residuos más próximos, y uno de los más numerosos. Se calcula que en España la producción supera el valor de 1 Kg/habitante y día. En segundo lugar porque es un combustible que se emplea para la producción de energía eléctrica cada día con más profusión.

Como indica la figura su composición y cantidad varía en función de la renta per cápita disponible por parte del generador. Desde el punto de vista energético interesa remarcar los tres componentes principales:

- Materia orgánica fermentable. - Inertes y cenizas. - Combustibles.

La fracción combustible, integrada por papel, cartón, plásticos, etc. aporta la energía precisa para tratar térmicamente el resto. La tabla indica, de manera general y sin tener en cuenta la humedad, una forma rápida de calcular el poder calorífico. Componente fracción combustible % en peso PCI (Kcal/kg) Calor total

Kcal Papel 15,0 4.500 675 Cartón 7,5 4.000 300 Plástico 10,0 9.000 900 Madera 2,5 4.000 100 Textiles 2,5 5.000 125 Goma, cuero y otros combustibles 2,5 6.000 150 TOTAL 40,0 - 2.250

05

1015202530354045

Porc

enta

je

Fermentable Papel-Cartón Textil Plásticos Vidrio Metales Varios

COMPARACIÓN COMPOSICIONES R.S.U.Valores en %en peso

Catalunya Lausanne (Suiza)

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DIAGRAMA DE INCINERACIÓN DE LOS RSU Como todo combustible el RDF debería estar seco. La gráfica siguiente muestra la variación del PCI en función de la humedad del combustible.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 10 20 30 40

% Humedad en el RDF

PC

I en

Kca

l/kg

El diagrama de incineración de los RSU, también llamado de Tanner, indica la banda de incineración (de hecho auto-incineración) en función de la composición del residuo. Para que el RSU sea incinerable el porcentaje de humedad (W) no debe sobrepasar el 50 %. Las cenizas (A) y elementos inorgánicos (metales, vidrio, cerámica, etc. ) no pueden alcanzar el 60 % y la fracción combustible (B) ha de ser, cómo mínimo, del 25 %. Cualquier RSU, como el representado en el diagrama, será incinerable.

Algunas instalaciones sólo queman la fracción combustible: RDF en las siglas inglesas (residue derived fuel). Lógicamente el poder calorífico es mucho mayor, aunque, como indica el gráfico superior se ve afectado por la humedad que contiene.


LA INCINERACIÓN DE LOS RSU

Los RSU “todo uno” o bien clasificados habiendo segregado la fracción orgánica fermentable y la inerte, se introducen en el horno siguiendo el esquema de la figura superior. La figura inferior muestra el esquema de detalle de las parrillas, o lecho fijo, de un horno convencional de parrillas para la incineración de RSU.

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TRATAMIENTO INTEGRAL DE LOS RSU EN MASA En los últimos años se han desarrollado una notable cantidad de sistemas para el tratamiento racional e integral de los RSU. Uno de ellos es el que aparece en la figura. Cuando los RSU en masa (todo-uno) llegan a la planta debe segregarse, en primer lugar, la materia inerte. Seguidamente el resto se introduce en una prensa donde la extrusión obliga a la fracción orgánica a pasar por los agujeros del molde, lo que provoca un importante calentamiento por fricción de la materia orgánica fermentable que a su vez se traduce en una fuerte evaporación de agua y, paralelamente, en un pre-compostaje. Seguidamente esta fracción pasa a la etapa de afino para su futura expedición en forma de compost.

El rechazo de la extrusora es, precisamente, la fracción combustible que es la que se introduce en el horno para su incineración. Los gases entran a la caldera de vapor y, por medio del vapor y la turbina se genera electricidad. El balance económico del tratamiento, partiendo de unos RSU típicos españoles y en precios de 1993, arroja un saldo claramente favorable a la producción de electricidad. Siguiendo con estos parámetros convencionales 1 Kg de RSU equivale a 316 Kcal (útiles), que aplicando un rendimiento del 70 %, supone 0,26 kW·h (útiles por Kg. de RSU).


LA METANIZACIÓN La metanización es una tecnología que consiste en transformar una parte de la fracción fermentable, o putrescible, de los residuos en gas metano para su posterior valorización.

El principio de funcionamiento, como indica el esquema de la figura superior, consiste en:

• Triaje y separación fermentable. En principio el proceso se adapta a los denominados residuos húmedos: restos de comida, residuos de jardín, etc.

• Alimentación del residuo preparado al digestor anaerobio. • El biogás generado en los digestores (mezcla de metano y gas

carbónico), se lava, se comprime y se almacena en un gasómetro. • El biogás puede servir de combustible para una unidad de

cogeneración, o quemarse en una antorcha. • La fracción residual (no gasificada), fango, se extrae por la parte

inferior y se puede compostar. La eficiencia de transformación de estas plantas, hoy en día en fase semiindustrial, es la siguiente: 1 t Residuo orgánico → 100 Nm3 biogás + 400 Kg. compost

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DESTINO DE LAS EMISIONES EN LAS INCINERADORAS

Aunque la distribución de los efluentes contaminantes que aparecen en la figura están extraídos de la incineración de los RSU, la norma general es válida para la incineración y tratamiento de otros caudales de residuos de características similares. En ambas figuras se indican los elementos contaminantes según vayan a las corrientes de:

- Gases. - Cenizas volantes. - Escorias

y además aparecen separados los elementos metálicos de los no-metálicos.

↑↑

Destino de los contaminantes no metálicos ↑ gases chimenea ↓escorias → cenizas volantes

Destino de los contaminantes metálicos ↑ gases chimenea ↓escorias → cenizas volantes


FORMACIÓN DE DIOXINAS Y FURANOS Las dioxinas y los furanos son compuestos tóxicos formados por anillos bencénicos en cuyos radicales se insertan oxígenos y cloros. Ello da lugar a un sinfín de isómeros de los cuales unos pocos son extremadamente tóxicos. Son compuestos térmicamente estables hasta una temperatura aproximada de 600 ºC. Son liposolubles y muy poco solubles en agua. Es debido a ello que son muy estables y de ahí su persistencia en el medio (se han encontrado dioxinas en muestras históricas).

Un nivel térmico que asegure una temperatura de 800 ºC durante un tiempo de residencia de, al menos, 2 segundos garantiza la destrucción de estos compuestos. Sin embargo se da la paradoja de que la propia instalación térmica, en la zona de baja temperatura, puede ser la generadora de dioxinas y furanos. El principio general de formación esta esquematizado en la figura y su origen radica en la degradación térmica de agentes clorados en presencia de abundante exceso de aire. Si estos compuestos no son destruidos, pasan a las escorias. Otra fuente de generación de dioxinas, en las incineradoras, es la llamada síntesis “de novo””. Durante el enfriamiento de los gases se reforman las dioxinas entre 500 y 250 ºC (de hecho es el mismo proceso anterior), por ello se recomienda acelerar la velocidad de enfriamiento de los gases. Existe una formación natural de dioxinas en el cieno y en el compost. Los incendios naturales generan, al igual que numerosos procesos industriales, muchas más dioxinas que las incineradoras.

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EFECTOS Y DESTINO DE DIOXINAS Y FURANOS El inventario de dioxinas y furanos llevado a cabo por el CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) y el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, indica que en los tres últimos años las emisiones de dioxinas y furanos generadas por el conjunto de las incineradoras españolas (8 operativas) ha pasado de 20 gramos a 1,2 gramos al año y figuran entre las mas eficientes del mundo. Donde se encuentran: En compuestos utilizados en la producción de aceites dieléctricos, lubricantes, pinturas, preservantes de la madera, pesticidas, retardantes de llama, circuitos eléctricos, etc. Efectos tóxicos:

• Efectos en la piel: Cloracné, hiperpigmentación, hiperqueratosis. • Efectos neurológicos: Neuropatías, disfunciones sexuales, neuritis, etc. • Efectos en el cuerpo: Fibrosis hepática, problemas digestivos, dolores

musculares, disfunciones en el sistema inmunológico, etc. Los mayores emisores: La industria siderúrgica, metalúrgica, fabricación de cemento, calderas, calefacciones, tráfico, plantas termoeléctricas, químicas, fabricación de vidrio y cerámica, industria textil, petroquímica, vertederos e incineradoras. Destino de las dioxinas: La gráfica siguiente muestra, en el caso de las incineradoras de RSU que no son, con mucha diferencia, las mayores productoras de dioxinas y furanos un promedio, a partir de 130 ensayos de casos estudiados, de donde se encuentras las dioxinas y furanos.

En escorias60%

En cenizas volantes

32%

A la atmosfera8%


TRATAMIENTO DE GASES POR VÍA SECA A la salida de la cámara de postcombustión es preciso enfriar los gases

antes de emitirlos a la atmósfera. El principio de funcionamiento del tratamiento de gases por vía seca estriba en la atomización de un neutralizante, habitualmente lechada de cal, sobre la corriente gaseosa. Con ello se persiguen dos objetivos: enfriar los gases y neutralizar la carga ácida.

En el sistema de vía seca la secuencia, como indica la figura, es: Las posiciones 1 y 2 corresponden a la carga automática del horno. El 3 al horno, o cámara de combustión y el 4 a la cámara de postcombustión, que está dotada de una chimenea de emergencia (5).

A la salida los gases circulan a través de un intercambiador de calor (6) para ceder el calor sensible al aire de combustión y reducir la temperatura de los gases para poder entrar a la torre de enfriamiento y neutralización (7). Alguna de estas torres se hallan dotadas de un sistema de carga del residuo generado por la neutralización (8) para descargarlo en un contenedor (9) por medio de un mecanismo de extracción (10).

En la parte superior, la torre dispone de una puerta de inspección (11) y los gases limpios son evacuados por el ventilador (12). VENTAJAS VÍA SECA INCONVENIENTES VÍA SECA El residuo de los filtros es seco Se aumenta la cantidad de residuos Compatible con filtros de mangas Los reactivos pueden ser caros Mayor superficie de reacción antes y en el filtro de mangas

Normalmente precisa una caldera para reducir las temperaturas antes del filtro de mangas

Los reactivos son fáciles de manipular Se usan mayor cantidad de reactivos que en los sistemas vía húmeda o semi-seca

El sistema no produce penacho Pocos problemas de corrosión

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TRATAMIENTO DE GASES POR VÍA HÚMEDA El principio de funcionamiento del tratamiento de gases por vía húmeda

consiste en hacer pasar la corriente gaseosa a través de un líquido frío. Con ello se consigue: enfriar los gases y condensar la carga ácida. Este sistema, desde el punto de vista de la reformación de dioxinas y furanos es más seguro y también recupera la mayor parte del material particulado.

En el sistema de vía húmeda la secuencia, como indica la figura, es: Las posiciones 1 y 2 corresponden a la carga automática del horno. El 3 al horno, o cámara de combustión y el 4 a la cámara de postcombustión, que está dotada de una chimenea de emergencia.

A la salida los gases se hacen recircular a través de un líquido, a veces simplemente se ponen en contacto (8), con ello se cede el calor sensible y también el latente de los constituyentes de los gases. Para ello se usan cámaras donde la presión se reduce y con ello la temperatura del gas y la velocidad (10). El agua se debe enfriar para poder ser inyectada de nuevo (6). Después los gases atraviesan un filtro (7).

El mayor inconveniente de este sistema es que transfiere toda la contaminación al agua y, normalmente, esta se debe depurar (12), con el gasto adicional que ello reporta. Finalmente los gases son evacuados a la atmósfera por el ventilador (13).

VENTAJAS VÍA HÚMEDA INCONVENIENTES VÍA HÚMEDA Buen control de gases ácidos Genera efluente líquido que precisa

tratamiento Buen control de las emisiones de Hg y Cd sin necesidad de aditivos

Debe precalentarse el efluente para eliminar el penacho

Variedad de tecnologías probadas Potencial problemas de corrosión. Materiales más caros


GENERALIDADES SOBRE LA BIOMASA

LA BIOMASA DENTRO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES La energía solar captada por las plantas es transformada por el proceso de la fotosíntesis en energía química que se almacena en los compuestos que constituyen la materia de la que están formados los seres vivos. Así pues se puede definir la biomasa como todo material con un origen biológico próximo. En este sentido quedarían incluidos los combustibles fósiles por cuanto se trata de biomasa fósil, aunque como sea que no son considerados como residuos no serán objeto de análisis en este capítulo. La tabla muestra los porcentajes de material combustible de diversos flujos residuales. Madera reutilizada RSU seleccionado Residuos agrícolas Lignina 22 10 17 Celulosa 50 45 38 Hemicelulosa 23 9 32 Otros 5 36 13 Datos en Cataluña de 1995

866,7

470,8

39,7

5,3

0,13

0,06

0 200 400 600 800 1000

Valor en KiloTep

Minihidráulica

Biomasa

RSU

Solar térmica

Eólica

Fotovoltáica

La producción anual de biomasa vegetal, que desde el punto de vista energético es la más importante, se puede evaluar en 1,8·1011 toneladas. Tan sólo el aprovechamiento del 60 % de dichos recursos bastaría para subvenir las necesidades energéticas del planeta. En España la producción energética procedente de la biomasa representa, aproximadamente, el 80 % de la energía obtenida a partir de las denominadas energías renovables que, a su vez constituye el 2 % de la energía bruta consumida por el país. En Cataluña, como indica el gráfico, el consumo procedente de las energías renovables es del 7,5 %.

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EFICACIA DEL PROCESO FOTOSINTÉTICO

Como todo proceso de conversión energético, es importante conocer el factor de conversión, es decir la fracción de energía total incidente (sol) a la que queda almacenado en forma de biomasa.

Teniendo en cuenta las actuaciones que gobiernan la fotosíntesis, se puede obtener el valor teórico del rendimiento fotosintético, que resulta ser, aproximadamente, de un 30%. Ahora bien, del total de la radiación solar que llega a la Tierra, sólo algo más del 40% es fotosintéticamente activa. Además, escasamente el 70% de ésta es absorbida por las hojas, ya que el resto suele ser reflejada, con lo cual, la eficacia máxima teórica de este proceso será alrededor de:

Eficacia máxima teórica = (0,3*0,4*0,7)*100 = 8% Ahora bien, en todas las plantas se producen pérdidas de energía debidas a la respiración del vegetal (estimadas en cerca de un 40%) lo que lleva a que el rendimiento máximo teórico de transformación de la energía solar en biomasa no llega al 5%.

No obstante de todo lo expuesto hasta ahora, la realidad es que los valores más altos que se encuentran de hecho en condiciones óptimas de campo son del orden del 3%. Pero a menudo estas cifras corresponden a períodos cortos de crecimiento y cuando se derivan los valores medios para el año completo, se encuentran valores entre el 0,5 y el 2,5%, siendo el rendimiento real efectivo de un 1%. TIPO DE ENERGÍA

PÒTENCIA (1021J/año)

ENERGÍA

(1021J) Almacenada en combustibles fósiles (comprobada) Almacenada en combustibles fósiles (estimada) Solar que llega a la biosfera Almacenada en la biomasa

3.000

30

300

30 Aunque el rendimiento del proceso de conversión biológica de la energía

solar pueda parecer bajo, se ha de considerar que los sistemas vivos que captan y convierten la energía solar se encuentran ampliamente distribuidos sobre tierras y agua del planeta, cubriendo una enorme superficie y representando, pues, el único tipo de colector solar que, hoy por hoy, está repartido por toda la Tierra, operando a gran escala.


CLASIFICACIÓN DE LA BIOMASA El aprovechamiento de la biomasa con fines energéticos tiene dos vertientes: subproductos agrícolas y forestales y cultivos energéticos. Biomasa primaria: Esta constituida por los residuos y desechos agrícolas y forestales. En cuanto a los primeros están compuestos de los residuos aparecidos como consecuencia del cultivo, aunque también deberían incluirse los residuos ganaderos. Las explotaciones forestales dejan sobre el bosque gran cantidad de residuos. La figura esquematiza esta producción y cifra los recursos potenciales junto a los recursos utilizables, mucho más reducidos y los recursos que realmente se utilizan, que escasamente llegan al 10 % de los recursos potenciales.

Biomasa secundaria: Corresponde a la biomasa residual procedente de las industrias agroalimentarias y forestales una vez se han elaborado los productos o materiales principales. La figura inferior representa esta biomasa secundaria y su procedencia. Es de notar que, en este caso, la tasa de aprovechamiento se acerca mucho a los recursos utilizables.

0 5 10 15

Recursospotenciales

Recursosutilizables

Consumoenergético real

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Recursospotenciales

Recursosutilizables

consumoenergético real

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CULTIVOS ENERGÉTICOS Los cultivos energéticos utilizan la radiación solar como fuente para su desarrollo acelerado con la consiguiente formación de biomasa y por ello no deben, ni pueden, competir con los cultivos tradicionales destinados a la alimentación humana o animal. Como ejemplo se puede citar la caña de la Provenza, una gramínea gigante que se cultiva en los climas mediterráneos.

Otro ejemplo seria los cultivos de oleaginosas para su transformación en bio-combustibles.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Recursos potenciales

Recursos utilizables

Consumo energéticoreal


PROCESOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA Los procesos de conversión se dividen en dos grandes grupos:

- Sistemas de conversión térmica, también llamada pirolítica. - Sistemas de conversión bioquímicos.

Que corresponde al esquema que aparece en el sinóptico de la figura superior. Los procesos de conversión de la biomasa en energía se clasifican en función de las características físicas, químicas y energéticas de la materia orgánica presente en el combustible (biomasa). La figura inferior expone los procesos de conversión desde la óptica de los productos obtenidos. Como sea que los procesos de conversión son comunes al aprovechamiento energético de todos los residuos con poder calorífico, en adelante la exposición se llevara a cabo en términos generales.

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COMBUSTIÓN DE NEUMÁTICOS USADOS

El neumático es un material complejo donde intervienen como mínimo seis

componentes diferentes. Además es muy difícil de triturar. La trituración criogénica es cara y la convencional consume mucha energía eléctrica. Su elevado poder calorífico a inducido a ciertos países a optar por su combustión.

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%Caucho naturalCaucho sintéticoRelleno activoCom. QuimicosAceroRayónNylon

En Centroeuropa es frecuente la co-incineración en hornos de clínquer y en el Reino Unido se ha construido una central eléctrica que consume exclusivamente neumáticos. La combustión es una reacción química compleja de oxidación/reducción en la que el combustible debe volatilizarse, gasificarse y, por fin oxidarse. Se comprende que un proceso tan complejo debe estar rodeado de rigurosas medidas de control para evitar la emisión de contaminantes. En el caso de la co-incineración en hornos de clínquer se tienen ciertas ventajas:

• La temperatura de trabajo es muy alta, supera los 1.400 ºC. • El tiempo de residencia es muy largo.


GASIFICACIÓN DE MEZCLAS DE RESIDUOS: BIOMASA Y RSU

Se incluyen en la denominación de gasificación aquellos procesos que llevan implícita una combustión parcial con defecto de aire. Este puede llegar hasta el 50% del valor teórico estequiométrico. La composición de los productos obtenidos depende del comburente usado. Así la figura superior resume la generación de diversos productos finales. Desde el punto de vista medioambiental, la gasificación toma cada día mayor preponderancia por cuanto permite el aprovechamiento de mezclas de residuos y su transformación directa en electricidad con un caudal de gases mínimo a depurar. La figura inferior esquematiza una planta para la gasificación de biomasa, madera, plástico y RDF (residuo sólido urbano sin inertes).

COMPRESOR

gasificador

depósito IMPROPIOS

motor ciclón

E.D.A.R.

Antorcha

arena Enfriamiento

Demister

gases de escape

G.N.

Fangos

residuo

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GASIFICACIÓN DE RESIDUOS FORESTALES La gasificación ha demostrado ser una de las mejores tecnologías de conversión térmica para la valorización de residuos, o productos, forestales. El equipo de la figura se compone de una tolva-alimentadora y de un reactor (gasificador) de lecho fluidizado presurizado. La recogida de sólidos se realiza en un ciclón. Los productos de la gasificación son varios:

- Gas lavado, apto para cogenerar en motor o turbina. - Gas pobre, para quemar y generar vapor. - Gas de PCI medio, para sustituir al GN, o bien materia prima

para productos: metanol, amoníaco, etc. El rendimiento ρ, se calcula por la expresión: PCI gas x (m3gas / kg sólido) • = ------------------------------- PCI sólido Valores típicos de gasificación se exponen en la tabla siguiente. Temperatura de gasificación ºC 825 N2 37,3 Rendimiento (%) 60,5 CH4 2,7 PCI (Kcal/Nm3 ) 1.472 C2H4 0,6 CO (% vol) 13,8 C2H6 0,15 CO2 17,5 H2 27,4 O2 0,6 Humedad 6,2


LA PIRÓLISIS DE LOS RSU En los últimos tiempos se han desarrollado una serie de tecnologías basadas en la pirólisis. La de la figura representa una variante de la pirolisis, que toma el nombre comercial de termólisis, por cuanto el proceso de lleva a cabo a una temperatura que no sobrepasa los 500ºC. El esquema reproduce una planta de tratamiento de RDF (residuo combustible del RSU), en la que se pretende cerrar el ciclo de tratamiento.

Para ello los gases calientes del termolizador se queman en una caldera en la que se genera vapor y electricidad. La fracción inorgánica del residuo se vitrifica usando como combustible el residuo carbonoso (char) y la fracción líquida, o condensada, de los aceites piróliticos. Desde el punto de vista de funcionamiento el hecho de trabajar en ausencia de oxígeno es un peligro por cuanto se corre el riesgo de explosión.

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PIRÓLISIS DE RESIDUOS COMBUSTIBLES

Durante la pirólisis, degradación térmica en ausencia de aire, el residuo se descompone en productos sólidos: carbón, alquitrán, líquidos: aceites y gases. Esta distribución varia en función de la temperatura. La figura superior muestra la composición media de los productos de la pirólisis de diversos residuos con alto contenido en carbono realizada a 500 ºC. La figura intermedia expone la composición volumétrica de los gases formados. La figura inferior muestra la evolución de los productos de síntesis de un carbón bituminoso en función de la temperatura de proceso.


RECICLAJE TÉRMICO DE NEUMÁTICOS Y ACEITES USADOS Este proceso, desarrollo por la Texaco, se compone de varios procesos simples de los descritos anteriormente. Parte de neumáticos y aceites usados. Los neumáticos se trituran y se mezclan con el aceite, previamente calentado a 370 ºC, durante 30 minutos.

La mezcla entra en un reactor de licuefacción donde se separan los gases combustibles y el acero procedente de los neumáticos. El “combustible” líquido se conduce a un reactor de gasificación que trabaja a 1350 ºC y 45 bars de presión. A partir del gasificador se procede a la separación de los gases sulfurosos para su tratamiento y, los de síntesis se envían directamente a turbinas de gas para la generación de energía eléctrica. Este proceso combinado tiene la ventaja de transformar los residuos en una máxima cantidad de gas lo que hace aumentar los rendimientos globales de la transformación.

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BIOREFINERÍAS

CONVERSIÓN DE BIOMASA EN ALCOHOL

RESIDUO FORMULA TIPICA

Grasas y aceites C50H90O6 Fango primario de EDAR C22H39O10N Fango combinado C10H19O3N RSU (fracción orgánica) C64H104O37N Madera C295H420O186N Césped C23H38O17N Residuos sólidos urbanos C16H27O8N Bacterias C5H7O2N Hongos C10H17O6N

El proceso a seguir para la transformación de la biomasa en etanol es:

- Precalentamiento de la biomasa, sobre todo cuando ésta es poco proclive a la transformación.

- Cocción e hidrólisis, se trata de una mezcla, en caliente, de agua con ácido (sulfúrico o clorhídrico). La hidrólisis puede ser química, como la que se lleva a cabo para la fabricación de la pasta de papel, o enzimática que, con la ayuda de microorganismos persigue una transformación en azúcares.

- Fermentación alcohólica, que consiste en la transformación de la glucosa en etanol por la acción de microorganismos, produciendo, en condiciones anaerobias etanol y gas carbónico.

- Separación y purificación del etanol. La figura muestra el esquema de conversión de biomasa en etanol y otros productos. Las aplicaciones más importantes son su empleo como disolvente y como combustible substitutivo total o parcial de la gasolina.

Los procesos de fermentación alcohólica de residuos agrícolas, agroalimentarios y forestales tienen gran desarrollo debido a las cantidades importantes de hidratos de carbono que contienen los citados subproductos. La tabla siguiente reproduce composiciones típicas de alguno de estos residuos:


METANOL A PARTIR DE RESIDUOS POR GASIFICACIÓN

El metanol es fácil de producir a partir de la gasificación de la biomasa. En la actualidad se produce a gran escala a partir del gas natural. Sin embargo pensando en términos sostenibilidad se puede llegar a una fórmula para tratar los residuos, incluyendo los orgánicos del propio vehículo, para generar metanol el cual, a su vez se convertirá en el carburante del futuro vehículo.

Todo este ciclo se cierra por medio de la gasificación. En éste proceso se lleva a cabo la transformación en gas de los residuos sólidos introducidos. En síntesis la gasificación es una combustión parcial con defecto de oxigeno. En estas circunstancias los materiales pasan a formas reducidas como CO, H2, CH4, etc y CO2 (si el comburente es aire también existirá N2).

Las etapas mas sobresalientes del proceso aparecen en la figura inferior. En el “reformer” se eliminan los hidrocarburos. En la fase siguiente, en la reacción “shift” se establece la relación estequiométrica H2/CO para la sintetización del metanol. El “scrubber” elimina el CO2 y los gases entran en el sintetizador de metanol. Mas tarde se enfría y se halla listo para su uso.

Batería

Biomasa

Metanol

SíntesisCH3OH ↔ CO + 2H2

Célula decombustibleMotor eléctrico

H2O

H2

BIOMASAGasificador

ReformerCyHz-- CO+H2

ShiftCO2+H2O -- CO+H2

Scrubber

CO2

Síntesis CO+2H2 -- CH3OH

METANOL

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FERMENTACIÓN METÁNICA DE LA BIOMASA La fermentación metánica es una transformación microbiana que se produce en ausencia de aire (condiciones anaerobias) originando un biogás, mezcla de metano y carbónico y una suspensión acuosa de materiales sólidos integrada por compuestos difíciles de degradar junto con nitrógeno, fósforo y los demás elementos presentes inicialmente en la biomasa. A partir de biomasa, el esquema general de conversión, según indica el dibujo es: Hidrólisis de la celulosa presente en la mayoría de los residuos vegetales.

- Acidogénesis, por la cual los monómeros obtenidos en la fase anterior, por la acción de determinadas bacterias, se convierten en alcoholes, ácidos orgánicos, gas carbónico e hidrógeno.

- Acetogénesis, la realizan las bacterias anaerobias que aseguran la transformación de los compuestos de la fase anterior en ácido acético, gas carbónico, hidrógeno y formiatos.

- Fermentación metánica propiamente dicha, esta fase se realiza gracias a la acción de bacterias de lento crecimiento (metagénicas) que degradan los compuestos antes sintetizados y los transforman en metano y gas carbónico.

El dibujo superior esquematiza las fases de la transformación metánica, mientras que el inferior representa la instalación, básicamente el digestor, que se utiliza industrialmente para la generación de biogás a partir de residuos.


LA COGENERACIÓN Se define la cogeneración como la producción simultánea de electricidad y calor. La cogeneración con motor consiste en un motor de explosión que hace girar un eje (cigüeñal) acoplado a un alternador. De hecho lo que realmente producen estas máquinas es electricidad y con ello se produce un calor sobrante que se trata de aprovechar. Por cada 100 unidades de combustible un motor genera entre 30 y 43 de electricidad, a la vez que aprovecha 55 y 42 unidades para usos térmicos. En esta tesitura el rendimiento energético global es del 85 %, valor infinitamente superior al rendimiento de cualquier central eléctrica.

El dibujo inferior expone un modelo clásico de funcionamiento de una unidad de cogeneración con motor alternativo. Estos tienen una gran flexibilidad de funcionamiento en función de la demanda eléctrica y una gran posibilidad de usar gases residuales. Una característica de los motores es que los efluentes, gases de escape y agua de refrigeración de las camisas, salen a temperaturas moderadas.

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COGENERACIÓN CON TURBINAS DE GAS La turbina de gas es una adaptación de un motor a reacción. El principio de funcionamiento consiste en quemar el combustible con grandes excesos de aire. Ello provoca la salida de los gases producto de la combustión a gran velocidad. Esta energía cinética se invierte en hacer girar los alabes de la turbina en cuyo eje se halla acoplado el alternador. Entre la turbina, que gira a alta velocidad, y el alternador se debe incorporar un reductor de para reducir la velocidad de giro del alternador, lo que provoca una pérdida notable de rendimiento.

Desde el punto de vista de la cogeneración las turbinas sólo emiten un efluente (gases) a una temperatura del orden de 500 ºC. Son máquinas diseñadas para desarrollar potencias bastante superiores a 1 Mw(e). Los rendimientos eléctricos son función de la potencia. Así mientras que para pequeñas potencias los rendimientos oscilan alrededor del 25 %, para grandes potencias sobrepasan el 35 %. La figura inferior muestra el aprovechamiento de los gases de combustión.


LA COGENERACIÓN CON TURBINAS DE VAPOR La generación de electricidad a partir de una turbina de vapor no debería llamarse, con propiedad, una cogeneración por cuanto el combustible se quema, incinera, y transfiere toda su energía a los gases que, a su vez, deben pasar a una caldera convencional,... No obstante cuando se trata de un combustible renovable: RSU, biomasa, residuos, se acepta el término de cogeneración. El principio de funcionamiento está simbolizado en la figura: el combustible sé combustiona en un hogar, que si es de lecho fluidizado mejora los rendimientos, y los gases de combustión penetran en una caldera de vapor. El vapor se envía a la turbina de vapor que está acoplada a un alternador. Desde el punto de vista del rendimiento eléctrico la turbina de vapor presenta una tasa de transformación entalpía/kilovatio muy baja (en el mejor de los casos 14-16%). Si a ello se le suma el hecho de que las calderas que consumen residuos por el sistema convencional tienen un rendimiento global del 85%, el resultado es que el rendimiento total de la instalación será: •T = •tu x •Ca = 0,15 x 0,85 = 0,127 O sea, el rendimiento será del orden del 13%. Así una incineradora que consuma RSU con PCI de 2.200 Kcal/kg (o 2,55 Kw/kg) generará una potencia útil de: 2,55 x 0,127 = 0,32 Kw (e)/Kg RSU. Es obvio que para sacar rentabilidad a una planta de cogeneración equipada con turbina de vapor se debe utilizar el vapor para procesos, ya que como se observa en el diagrama de Shanky el 74% del calor generado permanece en el vapor después de abandonar la turbina. Disipar este calor al aire constituye un despilfarro energético por lo que debería analizarse cuidadosamente las posibilidades de aprovechamiento del vapor (por ejemplo el "distric-heating", procesos de secado, etc.).

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RECUPERACIÓN DE BIOGÁS EN UN VERTEDERO Los vertederos de RSU son auténticos reactores anaerobios que van transformando la materia orgánica fermentable en biogás: gas de vertedero, con una riqueza en metano próxima al 55%. Se calcula que, por término medio, por cada 1.000 Kg. de RSU se producen a lo largo de 10 años más de 100 m3 de biogás. En algunas legislaciones avanzadas se obliga a captar el biogás para evitar que éste se emita a la atmósfera y potencie el efecto invernadero. Cuando el biogás está contaminado, básicamente con óxidos de azufre, o bien se decide no instalar un motor, el biogás se incinera en una antorcha. Cuando se instala un motor para cogenerar, es preciso instalar un gasógeno para regular el caudal.


VALORIZACIÓN DE PURINES El problema de la contaminación provocada por el vertido incontrolado de los purines, en particular de cerdo, provoca daños en el ecosistema, con frecuencia irreversibles. El suelo no puede absorber el vertido de las deyecciones ganaderas 12 meses al año y mucho menos cuando de trata de la explotación de grandes granjas. (Por ejemplo, en la comarca de Osona, norte de Barcelona, el 80% de las aguas están gravemente contaminadas). La cogeneración deviene como un complemento económico, a base de vender energía eléctrica a la red nacional, lo que reporta unos ingresos que permite llevar a cabo el tratamiento de los purines El proceso exige recibir los purines con una cantidad de materia sólida alta, lo deseable es el 10%. Seguidamente se introducen en un digestor anaerobio. El biogas generado se aprovecha en un motor de cogeneración. A la vez, el agua de refrigeración de las culatas del motor se emplea en precalentar los purines y en mantener las paredes del digestor a la temperatura de trabajo. El purín digerido es tratado en una centrífuga donde se separa la fracción líquida y deja un fango residual. La fracción líquida es muy rica en amoníaco que debe tratarse con sulfúrico para fijar el N2, de lo contrario las aguas se contaminan. El agua resultante se puede usar para el proceso. En la operación se produce sulfato amónico que, mas tarde se mezcla con la fracción seca y, el conjunto, puede emplearse como abono para el campo.

El residuo sólido de la centrífuga, un fango con una cantidad de materia seca entre el 25 y el 30%, se envía a un secador para la total deshidratación. El secado térmico, que como fuente de calor emplea los gases de escape del motor de cogeneración, produce un fango con una cantidad de materia sólida del 90%. El agua, en forma de vapor, se condensa y puede usarse para riego, puesto que se trata de un agua limpia. El proceso no es térmicamente sostenible, por lo que hace falta la aportación de un combustible externo convencional.

Digestor Anaerobio

Motor Cogeneració

K

Centrifugaciónn Líquido NH3 Fijación

sulfúrico Sulfato amónico Sólido

Secado Condensaciónn Agua limpia para regar

Abono o combustible

GN

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RECUPERACIÓN DE ENERGÍA EN UN PROCESO DE PLASMA El esquema muestra el tratamiento de residuos tóxicos siguiendo el sistema Plasmox, en el que los residuos tóxicos son destruidos en el interior de los bidones por medio de plasma térmico y recuperación de energía.

Como toda tecnología la aplicación del plasma tiene ciertas ventajas: • La transmisión de calor es muy efectiva (Depende de la cuarta potencia

de la temperatura), además la radiación ultravioleta también lo es. • Al ser un proceso pirolítico, no precisa oxigeno. • Es un tratamiento muy rápido.

En cuanto a los inconvenientes hay que destacar:

• Las elevadas temperaturas (localmente cerca de 10.000ºC) dañan mucho los refractarios.

• El funcionamiento del plasma es muy sensible a las alteraciones del voltaje (sistema de alimentación de corriente es delicado).


LA CELULA DE COMBUSTIBLE La conversión en electricidad del metanol consiste en un dispositivo

energéticamente muy eficaz como es la célula de combustible. Para ello se usa el metanol como elemento portante de hidrógeno sin los inconvenientes que suponen los otros sistemas de almacenamiento de hidrógeno. En la actualidad numerosos prototipos de automóviles ya disponen de un convertidor catalítico incorporado que recupera el hidrógeno y solo emiten CO2.

En la célula de combustible de la figura el hidrógeno es introducido en el ánodo. Los electrones alcanzan el cátodo a través de un circuito externo con lo que se crea una corriente eléctrica. El protón (átomo de hidrógeno desprovisto del electrón pasa a través de la membrana hacia el cátodo donde recupera la carga eléctrica, se combina con el oxigeno y se transforma en agua.

De esta manera los únicos efluentes del vehículo serán el CO2, procedente de la descomposición catalítica del metanol, y agua, a una temperatura de 80 ºC.

El rendimiento de un coche que funciona de esta manera es del 34% frente al 19% que consigue un vehículo sofisticado equipado con un motor convencional de combustión interna de gasolina.

Las ventajas de todo tipo son claras:

• El mantenimiento es nulo: no hay partes móviles.

• El vehículo no produce ruido.

• El rendimiento energético es muy superior. Si el consumo de un vehículo de gasolina es de 8,6 l/100 Km, el equivalente en gasolina para un vehículo equipado con célula de combustible es de 2,9 l/100 Km, o sea tres veces inferior.

• Los contaminantes emitidos son muy inferiores y menos agresivos.

Sistema PEM (Polymer Electrolyte Membrane)Funcionando directamente con mezcla metanol/agua.

MembranaElectrodoCatalizador de platino

_ +

Motor

e-e-

Metanol/agua

CO2 H2OCO2 (+N2+O2)

O2 (aire)

H+

H2 2H++2e-

ÁN

OD

O

CÁ

TOD

O

1/2O2+2H++2e- H2O

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TIPOS DE CÉLUL AS DE COMBUSTIBLE La pila de combustible es una central química en miniatura capaz de producir energía eléctrica sin generar residuos. Para hacer funcionar una pila de combustible es necesario contar con dos electrodos separados por un electrolito impermeable para los dos gases (hidrógeno y oxigeno), pero no para los iones hidrónio, que la atraviesan dejando la carga negativa en el ánodo. Las células de combustible son una familia que pueden usar diferentes electrolitos y operar a diversas temperaturas. Cada electrolito es el mas apropiado para una determinada aplicación. Las mas representativas son: Células de ácido fosfórico: Son las mas desarrolladas desde un punto de vista industrial. La eficiencia eléctrica es de un 40-43%. Son muy adecuadas para aplicaciones de índole estacionaria y también para grandes unidades móviles, como locomotoras. Células alcalinas: A base de hidróxido de potasio. Tienen un rendimiento superior al 70%. Se empezaron a usar en la industria espacial. Son muy caras y por ello no se han desarrollado comercialmente. Células de polímero sólido (o PEM: Membrana de Intercambio Protónico): Son las que mejor se adaptan al sector del automóvil y, potencialmente, para la sustitución de baterías recargables de pequeño tamaño. En la actualidad los rendimientos alcanzados doblan los motores de combustión convencionales y hay prototipos que alcanzan los 145 km/h con una autonomía de 450 km. La fotografía muestra una unidad que funciona a partir de gas natural.


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