Innovación en la Tecnología para Generación de Energía a partir de

Transcripción

Oliver Gohle y Johannes Martin
Impulsores de la innovación en la tecnología para la generación de energía a partir de residuos
Waste Management & Research
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Impulsores para la innovación en la tecnología destinada a la generación de energía a partir
de residuos
Oliver Gohlke y Johannes Martin
Waste Management Research 2007; 25; 214
IOD: 10.1177/0734242X07079146
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Copyright © ISWA 2007
Waste Management & Research
ISSN 0734–242X
Waste Manage Res 2007: 25: 214–219
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Impulsores para la innovación en la tecnología
destinada a la generación de energía a partir de
residuos
El presente artículo resume los desarrollos llevados a cabo en el ámbito de la tecnología para la generación de
energía a partir de residuos. En los Estados Unidos, se desarrollaron numerosos sistemas para la generación de
energía a partir de residuos en la década de 1980 y principios de la década de 1990. Esas plantas generaron
energía de una manera relativamente eficaz (en general 23%) en calderas de 60 bar/443º C. Lamentablemente,
el desarrollo se detuvo cuando la Corte Suprema de los Estados Unidos rechazó la práctica para el control del
flujo de residuos en 1994. Por ende, los residuos se destinaron a mega rellenos, asociados con impactos
ambientales muy negativos. No obstante, debido a los impuestos sobre los rellenos y al aumento de los precios
del combustible, últimamente se han desarrollado nuevos proyectos para la generación de energía obtenida a
partir de residuos. En varios países de Europa, se introdujeron primas interesantes para la producción de energía
renovable derivada de residuos municipales. Eso impulsó innovaciones importantes en el ámbito de la
recuperación de energía mejorada. Las plantas de Brescia y Ámsterdam son ejemplos de plantas modernas para
la generación de energía derivada de residuos, con eficiencias netas del 24 y 30%, respectivamente. En Japón,
tradicionalmente se prefiere la incineración debido a las limitaciones de espacio. La nueva legislación fomentó la
gasificación o la fundición de cenizas para obtener una calidad de cenizas mejorada.
Sin embargo, esos
procesos reducen la eficiencia en términos de energía, costo y disponibilidad. Un nuevo sistema enriquecido con
oxígeno para la generación de energía a partir de residuos se encuentra en desarrollo con el objeto de obtener de
una manera mejor la calidad de ceniza inerte requerida.
Oliver Gohlke
Johannes Martin
Martin GmbH für Umwelt- und Energietechnik, Leopoldstrasse 248, D-80807 Munich, Alemania
Palabras clave: Generación de energía a partir de residuos, innovación, eficiencia energética, calidad de las cenizas, ecoeficiencia, costobeneficio, wmr 1181-9
Autor correspondiente: Oliver Gohlke, Martin GmbH für Umwelt- und Energietechnik, Leopoldstrasse 248, D-80807 Munich, Alemania.
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IOD: 10.1177/0734242X07079146
Recibido el 25 de enero de 2007; revisión aprobada el 29 de marzo de 2007
Los gráficos 1-3 pueden verse en color en línea: http://wrnr.sagepub.com
Introducción
El final del siglo XIX fue testigo de la construcción de las primeras plantas de incineración de residuos del mundo.
Se dice que el objetivo principal de esas plantas fue fomentar la higiene ya que la práctica de la distribución de
residuos en terrenos había sido un factor determinante para la propagación de la epidemia del cólera. Desde
entonces, la tecnología ha avanzado de manera impresionante en términos de eficiencia energética y de control
de emisiones. En la actualidad, puede tratarse una amplia variedad de corrientes de residuos con un potencial
contaminante cada vez mayor. El presente artículo resume el desarrollo llevado a cabo en el ámbito de la
tecnología para la generación de energía a partir de residuos entre la década de 1990 y la actualidad en los
Estados Unidos, Europa y Japón.
El artículo expresa el punto de vista de la compañía MARTIN GmbH für Umwelt- und Energietechnik, fundada en el
año 1925 y actual líder mundial en distribución de sistemas para la generación de energía a partir de residuos (Martin 2004).
Vertido de residuos versus generación de energía a partir de residuos en los Estados Unidos
En los Estados Unidos, se desarrolló una industria eficiente para la generación de energía a partir de residuos en
la década de 1980 y principios de la década de 1990. Las plantas para la generación de energía a partir de
residuos típicas que se construyeron durante ese período utilizaban parámetros de vapor de 60 bar/443ºC (865
psi/830ºF) y, en general, eran más eficientes en términos de energía que las calderas europeas de 40 bar o las
calderas japonesas de 20 bar de ese entonces. En 1994, la Corte Suprema de los Estados Unidos impugnó la
práctica para el control del flujo de residuos (Corte Suprema de los Estados Unidos, 1994). Los controles del flujo de
residuos son disposiciones legales que permiten a los gobiernos estaduales y municipales designar los lugares a los
cuales se llevan los residuos sólidos para su procesamiento, tratamiento o disposición. En consecuencia, tal
impugnación provocó una interrupción abrupta del desarrollo de los planes vinculados a la generación de energía a
partir de residuos. En su lugar, los residuos se transportaban en camiones a mega rellenos, que se habían construido
a bajo costo en áreas más alejadas. Esa práctica se relacionó con el impacto ambiental muy negativo resultante del
vertido de residuos: consumo de la tierra, transporte en camión a través de largas distancias, emisiones de metano,
filtrado de contaminantes hacia el suelo y el agua subterránea. El desarrollo de soluciones más sostenibles para la
gestión de residuos ya no era posible. No obstante, a causa de los impuestos a los rellenos, las primas para la
electricidad renovable y el aumento de los precios del combustible para el transporte en camión, en la actualidad hay
una tendencia creciente hacia el desarrollo de procesos mejorados para la generación de energía a partir de los
residuos.
Fig. 1: Diseño típico de una caldera con parámetros de vapor de 60 bar/443ºC (865 psi/830ºF) en los Estados Unidos.
Tabla 1: Rendimiento típico de las instalaciones para la generación de energía a partir de residuos en los Estados Unidos (Ejemplo: COVANTA
de Bristol/Connecticut, en funcionamiento comercial desde 1988, datos del año 2005).
Datos para una planta con 2 líneas de
combustión
Diseño
Real
Unidades de medida estadounidenses
Residuos
tpd (tonelada corta)
Flujo de vapor
Unidades de medida europeas
1
650
tons día- (tonelada
métrica)
Ib hr-
146400
Tons h- ; kJ kg-
Presión del vapor
Psig
865
Bar
Temperatura del vapor
°F
830
°C
Poder calorífico
(valor calorífico)
Btu Ib- (PCS)
Electricidad bruta generada
kWh ton- de residuos
Electricidad neta generada
1
1
1
443
1
kJ kg- (PCI)
601
kWh ton-
1
511
kWh ton-
1
Btu Ib- (PCS)
Electricidad bruta generada
5420
1
669
1
565
66,4
60
1
Poder calorífico
(valor calorífico)
Electricidad neta generada
4500
1
590
1
1
1
10 kg- (PCI)
9080
662
563
11400
1
737
1
623
kWh ton-
kWh ton-
Aumento de las eficiencias energéticas en Europa
En Europa, la mayor parte de los residuos aún se vierte en rellenos sin recuperación de energía. Los efectos
adversos de esa política incluyen el consumo de la tierra, la emisión de metano y la contaminación del suelo y
del agua subterránea. Sin embargo, esa situación aún se acepta porque, con frecuencia, el vertido de
residuos es la opción más económica en el corto plazo. Conforme a la Directiva de la UE sobre Rellenos
Sanitarios, la cantidad de residuos biodegradables vertidos en los rellenos de Europa debe reducirse en un
65% para el año 2016 (Consejo de la UE, 1999).
Debido a que el vertido en rellenos es todavía una alternativa económica, la reducción de los costos sigue
siendo uno de los objetivos principales de los sistemas para la generación de energía a partir de residuos. En
Europa, la tecnología para la generación de energía a partir de residuos está compuesta por sistemas por
parrilla de combustión. Habitualmente, esas plantas producen 546 kWh de electricidad por tonelada de
residuos, que corresponde a una eficiencia energética bruta del 18% remitida a la carga calorífica bruta de
residuos y combustibles adicionales (Tabla 3.40 sobre incineración de residuos BREF 2005, Base: valor
calorífico neto de 10,44 MJ kg-1 y producción de electricidad solamente). Debido al consumo en planta de un
promedio de 150 kWh por tonelada de residuos, se obtiene como resultado una exportación de electricidad
promedio de 396 kWh (eficiencia neta del 13%). La Confederación de Plantas Europeas para la Generación
de Energía a partir de Residuos (Confederation of European Waste-to-Energy Plants, CEWEP) publica
también datos similares en su informe sobre eficiencia energética (CEWEP 2006).
Fig. 2: Características básicas del proceso SYNCOM-Plus
La mayoría de las plantas modernas utiliza parámetros de vapor de 40 bar/400ºC. Esas plantas producen
habitualmente 640 kWh de electricidad por tonelada de residuos, que corresponde a una eficiencia energética
bruta del 22% (valor calorífico neto de 10,44 MJ kg-1). Con un consumo en planta de 120 kWh, generalmente
se obtiene como resultado una exportación de electricidad de 520 kWh (eficiencia neta del 18%).
Conforme a la Directiva Europea sobre Incineración del año 2000, todas las plantas deben estar equipadas
con tecnologías para la limpieza de la salida de gas que contribuyan a lograr valores de emisión, por ejemplo,
inferiores a 200 mg/Nm3 NOx (valor diario promedio) y 0,1 ng de equivalencia tóxica de dioxinas totales
(TEQ)/Nm3 de dioxinas.
En algunos de los países europeos más avanzados, se limita el vertido de residuos municipales en rellenos y
se concentran los esfuerzos en mejorar aún más la eficiencia energética de las plantas para la generación de
energía a partir de residuos más allá de los valores indicados anteriormente (Bonomo 1998, Van der Linde
2003, Seguin 2004, Wandschneider 2005, Fischer 2005). En general, la fuerza impulsora detrás de la
implementación de sistemas de alta energía es una prima para la electricidad renovable a partir de residuos,
por ejemplo (Pfeiffer 2003):
•
•
•
•
14,5 €/MWh durante 10 años si la eficiencia es > 26% en los Países Bajos (2003)
170 €/MWh con el programa CHP6 en Italia (ya sin validez)
80 €/MWh (variable) en el ‘mercado verde’ (green market) durante 8 años en Italia
23,4 €/MWh en España (Directiva 1998) [Datos del ejemplo de Bilbao: prima del 30% sobre el precio de la
electricidad].
Otra opción para aumentar la eficiencia energética es el uso directo de vapor generado para la calefacción del
distrito o con fines industriales. En Suecia, que cuenta con buenas condiciones climáticas y con sistemas bien
desarrollados para la calefacción del distrito, esa opción permite que la producción total de energía aumente a
3000 kWh por tonelada de residuos (Profu Consultancy 2004). Cabe aclarar que todas las cifras de kWh por
tonelada de residuos dependen forzosamente del valor calorífico neto de los residuos, por lo cual los ejemplos
citados no pueden compararse en forma directa.
En Alemania, el vertido de residuos sin procesar en rellenos está prohibido desde el 1 de junio de 2005 (Trittin
2001). En la actualidad, existe un nuevo impulsor adicional para la gestión de residuos sostenible,
concretamente, el objetivo de la eliminación total del vertido de residuos municipales en rellenos para el año
2020 (Verbücheln 2005). De acuerdo con esos planes, el vertido de residuos provenientes de un
pretratamiento mecánico biológico ya no será aceptado. Para las plantas de generación de energía a partir de
residuos, el objetivo para el año 2020 podría conducir al establecimiento de requisitos mayores en términos de
la calidad de las cenizas del fondo de la caldera. Una posibilidad para lograrlo puede ser la retroadaptación de
las instalaciones para el enriquecimiento de oxígeno. Eso posibilita el sinterizado de las cenizas producidas
por los sistemas por parrilla de generación de energía a partir de residuos. De esa manera, podría producirse
granulado de ceniza inerte fácilmente reciclable (inerte conforme a la definición de la decisión del consejo de la
UE 2003/33/CE). La cuestión respecto de la calidad de las cenizas se analiza más detalladamente en la
próxima sección sobre Japón.
Costo estandarizado
Relación costo/beneficio ambiental
Ecoeficiencia
Fig. 3: Análisis de ecoeficiencia y relación costo/beneficio ambiental (aquí: ilustración solamente a modo de ejemplo).
Tabla 2: Nuevos sistemas para la generación de energía a partir de residuos en Europa con aumento de la eficiencia energética (los
porcentajes estimados de la electricidad generada y exportada se remiten al aporte energético de los residuos)
Brescia # 1+2
(Italia)
Brescia # 3
(Italia)
Amsterdam #5+6
(Países Bajos)
Mainz
(Alemania)
Bilbao
(España)
1998
2004
2007
2003
2004
Parrilla de
acción inversa
MARTIN
Parrilla de acción
inversa
MARTIN
Parrilla horizontal
MARTIN
Parrilla de acción inversa
MARTIN
Parrilla de acción inversa
MARTIN
SNCR
SNCR
SNCR
SNCR
SNCR
Característica
especial
Optimizada
para alta
eficiencia
Optimizada para
alta eficiencia
Sobrecalentador de
vapor intermedio y
condensador de
agua
Conectada con proceso de
ciclo combinado (turbina de
gas natural)
Integración con proceso
de ciclo combinado
(turbina de gas natural)
Combustible
RSM,
sedimentos
cloacales,
biomasa
Biomasa,
sedimentos
cloacales
RSM
RSM, gas natural
RSM, gas natural
Presión de vapor (bar)
61
73
130
40
100
Temperatura del
vapor
sobrecalentado (°C)
450
480
440
400/555
540
Temperatura del gas
en la salida de la
caldera (°C)
135
135
180
(135°C con
recuperación de
energía térmica
adicional luego del
ESP y filtro de tela)
200
200
Planta
Puesta en marcha
Sistema de
combustión
Reducción de NOx
Electricidad
generada (%; bruto)
27
28
34
>40
46
(remitida al aporte de energía de residuos +
gas natural)
25,8
(remitida al aporte de energía de residuos)
Electricidad
exportada (%; neto)
24
25
30
>40
42
(remitida al aporte de energía de residuos +
gas natural)
23,3
(remitida al aporte
de energía de residuos)
SNCR, reducción selectiva no catalítica de NOx
Tabla 3: Descripción simplificada de los efectos de las principales reglamentaciones sobre innovación y desarrollo sostenible
País
Medida
Contenido
Efecto sobre la innovación
Efecto sobre el desarrollo
sostenible
Estados Unidos (1994)
Reglamentación de la
Corte Suprema sobre
el control del flujo de
residuos
Vertido de residuos
ilimitado
Ningún desarrollo adicional
de tecnología para la
generación de energía a
partir de residuos
Muy negativo (consumo de la
tierra, emisión de metano, sin
recuperación de energía)
Europa (a partir de fines
de la década de 1990)
Diversos subsidios para electricidad renovable a
partir de residuos en los Países Bajos, Italia,
España, Austria y Dinamarca
Desarrollo e implementación
de tecnologías de alta
eficiencia para la generación
de energía a partir de
residuos
Muy positivo (se evitan los gases
de efecto invernadero)
Directiva sobre el
vertido de residuos en
rellenos (Abfallablagerungs verordnung)
Prohibición del vertido de
residuos sin tratamiento en
rellenos
Nuevas plantas para la
generación de energía a
partir de residuos con
aumento de eficiencia de los
costos
Positiva (se evita el vertido de
residuos en rellenos sanitarios)
Plan para la reducción
de dioxinas
Limitación de dioxinas a
0,1 ng TEQ/Nm3 en la
salida de gas 50 pg TEQ
de salida total por tonelada
de residuos
No más plantas nuevas de
combustión de lecho
fluidizado; desarrollo e
implementación de
tecnologías de gasificación y
fundición de cenizas
Positiva en general (emisiones
de toxinas reducidas), pero
contraproducente con respecto a
los gases de efecto invernadero
(escasa eficiencia energética)
Alemania (2005)
Japón (2002)
Reducción de dioxinas y calidad de las cenizas en Japón
El vertido de residuos en rellenos sanitarios no es una opción habitual en Japón debido a la falta de espacio. Por
ese motivo, la mayor parte de los residuos se incinera en numerosas plantas pequeñas. En al año 2000, aún
existían más de 10.000 plantas con una capacidad inferior a las 2 toneladas h-1 y más de 2.000 plantas con una
capacidad superior a las 2 toneladas h-1 (Konda 2000). Un estudio del PNUMA del año 1995 indicó que 4 kg de
los 10 kg globales TEQ de las emisiones de dioxinas provenían de Japón. Eso provocó un cambio fundamental
en las políticas y una nueva reglamentación sobre dioxinas entró en vigencia en el año 2003. Se limitó la emisión
de dioxinas para las plantas existentes con una capacidad superior a 42 toneladas h-1 a 1 ng TEQ/Nm3 y, para
las plantas nuevas, a 0,1 ng TEQ/Nm3. Hasta fines del año 2002, un valor de dioxinas de 80 ng TEQ/Nm3 era
aún aceptable. Además, la política ambiental nacional exigía una limitación de la producción total de dioxinas a
un nivel inferior a 5 µg TEQ por tonelada de residuos.
En consecuencia, la tecnología de combustión por lecho fluidizado, aún bastante habitual en Japón durante la
década de 1990, se suspendió debido a sus elevados índices de formación de dioxinas. Además, la mayoría de
las pequeñas plantas de incineración debieron dejar de operar ya que la retroadaptación de la tecnología para
reducir la emisión de dioxinas no era viable.
Las nuevas reglamentaciones y la política general desde 1995 hasta 2005 en Japón actuaron como impulsores
para el desarrollo y la instalación de nuevos procesos de gasificación y fundición de cenizas (Ecke et al. 2000;
Sakai 2003). Actualmente, existen más de 90 procesos de gasificación y más de 90 procesos de fundición de
cenizas en funcionamiento o en construcción en Japón. El objetivo principal de esos procesos es mejorar la
calidad de las cenizas y reducir la producción total de dioxinas por tonelada de residuos. Ese desarrollo alcanzó
su punto máximo en el año 2000, cuando se encargaron plantas con una capacidad de 3 millones de toneladas
por año. La mitad de esa capacidad se procesó a través de plantas de gasificación y la otra mitad a través de
sistemas con cargadores mecánicos combinados con fundición de cenizas (Vehlow 2006). Sin embargo, se
considera que esos procesos, en cierta forma, son inadecuados en términos de la disponibilidad y la eficiencia
en relación a la energía y los costos. En la década de 1990, se llevó a cabo en Europa la misma experiencia con
sistemas de gasificación, los cuales han dejado de operar en su totalidad actualmente.
Por ese motivo, en el año 2005 se anunció un cambio de política en Japón. La nueva política establece que la
gasificación o la fundición de cenizas ya no sería requerida si las plantas se encuentran ubicadas en áreas
alejadas o si puede demostrarse que las plantas poseen una capacidad de relleno de cenizas de 15 años u otras
opciones para el reciclado de cenizas.
Se desarrollaron nuevos procesos de tratamiento térmico para los requerimientos japoneses mencionados
anteriormente. Por ejemplo, MARTIN, en cooperación con su socio colaborador japonés, Mitsubishi Heavy
Industries, desarrolló un nuevo sistema para la generación de energía a partir de residuos enriquecido con
oxígeno que cumple con los requerimientos japoneses relativos a la reducción de dioxinas y a la calidad de las
cenizas inertes, y también ofrece un alto nivel de eficiencia en términos de energía y costo (Gohlke et al. 2006).
En Japón, dicho proceso se denomina SYNCOM-Plus o Sanso-Rich.
La característica principal del proceso SYNCOM-Plus es el enriquecimiento del aire de combustión con oxígeno
para lograr temperaturas más elevadas del lecho de residuos. Tal situación provoca la sinterización de las
cenizas del fondo de la caldera. Otras características son la recirculación de la fracción fina de las cenizas del
fondo de la caldera y de las cenizas volátiles (Gohlke & Martin 2004). Se reduce la producción total de dioxinas en
un factor de diez y se produce un granulado de calidad inerte (Martin et al. 2005). Un beneficio adicional es la
reducción del flujo de la salida de gas en más del 35%. Se encargaron con éxito plantas de referencia con
enriquecimiento de oxígeno en Arnoldstein/Austria y Sendai/Japan en 2004, que demuestran resultados operativos
muy positivos (Oohlke & Zellinger 2005). Los análisis de ecoeficiencia muestran claramente la ventaja del
SYNCOM-Plus sobre los sistemas de gasificación y de fundición de cenizas.
Conclusiones
La innovación en la industria de la generación de energía a partir de residuos está impulsada por la competencia
con otras opciones para el tratamiento de residuos. Existe un amplio ámbito de innovaciones potenciales en
términos de eficiencia energética, calidad de las cenizas y eficiencia de los costos. Esas innovaciones solo
pueden llevarse a cabo si la situación política general favorece su desarrollo. El ejemplo de los Estados Unidos a
mediados de la década de 1990 demostró que el vertido ilimitado de residuos en rellenos es perjudicial para la
innovación. Por otro lado, no todas las tecnologías nuevas son viables con respecto al desarrollo sostenible. El
ejemplo de la gasificación y la fundición de cenizas en Japón demuestra que la reglamentación ambiental puede
también ser demasiado estricta y, por ende, contraproducente si no se tienen en cuenta los costos y la eficiencia
energética. La innovación en el ámbito de la tecnología ambiental debe estar acompañada de un equilibrio
prudente entre las necesidades ambientales y las oportunidades tecnológicas.
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