Transformación y valorización energética de los residuos urbanos

Trabajo Fin de Grado en Ingeniería Mecánica Curso 2021-2022 Inmaculada Concepción Campins Benítez Tutora: Dra. María del Carmen Morón Romero Departamento: Física I Julio 2022 TRANSFORMACIÓN Y VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE LOS RESIDUOS URBANOS Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 2 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. Agradecimientos A mi familia, por apoyarme y confiar siempre en mí. A mi hermano, por ayudarme y creer que se lograría. A mis amigos, por escucharme, aconsejarme y alegrarse de mis triunfos como si fuesen suyos. A MD, Iván y Marina, por siempre estar. A mis compañeros, por las tardes compartidas de estudio y agobios, pero, sobre todo, por los buenos momentos y todas las risas. Al departamento de Física I y, en concreto, a mi tutora por toda la atención y ayuda recibida. Y, finalmente, a aquellos que no están, pero siempre quisieron verme aquí. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 3 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. Resumen En este proyecto se valoran algunas alternativas sostenibles para el tratamiento de residuos sólidos urbanos. La primera estudia el empleo de una planta de incineración de residuos mientras que la segunda evalúa la posibilidad de obtener energía y biocombustibles de aquellas fracciones de residuos que no sean útiles en la incineración, como es el caso de la materia orgánica. Tras esto se analiza la posibilidad de que ambas propuestas pudiesen sumarse a la economía circular y, finalmente, que implicaría su implementación en el medio ambiente. Palabras clave: residuos sólidos urbanos, incineración, biomasa, económica circular, impacto medioambiental. Abstract This project assesses some sustainable alternatives for urban solid waste treatment. The first alternative contemplates the use of a burning waste plant whereas the second one appraises the possibility of obtaining energy and biofuels from those useless fractions that are not useful in the incineration, process as in the case of organic material. After that, both proposals are analyzed so that they could be added to the circular economy and, eventually what outcome would this method imply to the environment. Key words: urban solid waste, incineration, biomass, circular economy, environmental impact. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 4 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. Índice de contenido Agradecimientos ................................................................................................. 2 Resumen ............................................................................................................ 3 Abstract .............................................................................................................. 3 Índice de ilustraciones ........................................................................................ 5 Índice de tablas .................................................................................................. 5 1. Introducción y justificación ........................................................................... 6 2. Objetivo, alcance y limitaciones ................................................................... 7 3. Normativa aplicable ..................................................................................... 7 4. Desarrollo .................................................................................................... 8 4.1. Escenario actual de la gestión de residuos ........................................... 8 4.2. Definición de residuo sólido urbano (RSU) ........................................... 9 4.3. Tipos de residuos usados en la incineración de RSU ........................... 9 4.4. Plantas Waste to Energy (WTE) ......................................................... 10 4.4.1. Áreas de una planta ...................................................................... 11 4.4.2. Proceso de incineración ............................................................... 12 4.4.3. Elementos y funcionamiento de los sistemas de recuperación energética .................................................................................................. 18 4.4.4. Tipos de caldera ........................................................................... 19 4.4.5. Utilidades de la energía recuperada ............................................. 20 4.5. Biomasa .............................................................................................. 22 4.5.1. Procesos termoquímicos .............................................................. 22 4.5.2. Procesos bioquímicos ................................................................... 24 4.5.3. Biocombustibles ............................................................................ 26 4.6. Economía circular................................................................................ 36 4.6.1. Introducción a la economía circular .............................................. 36 4.6.2. Gestión de los Residuos Sólidos Urbanos .................................... 37 4.7. Análisis de resultados ......................................................................... 40 4.7.1. Análisis económico ....................................................................... 40 4.7.2. Valorización de impactos .............................................................. 41 5. Conclusiones, recomendaciones y trabajos futuros ................................... 46 6. Bibliografía ................................................................................................. 48 Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 5 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. Índice de ilustraciones Ilustración 1. Esquema general de una planta de residuos (46). ...................... 10 Ilustración 2. Esquema de la zona de descarga de residuos (16). ................... 11 Ilustración 3. Esquema foso (16). .................................................................... 11 Ilustración 4. Representación parrilla de balancines (16). ................................ 12 Ilustración 5. Representación parrillas fijas y móviles (16). .............................. 12 Ilustración 6. Representación sistema Martín (16). ......................................... 13 Ilustración 7. Incinerador clase III, tipo 4 (16). .................................................. 15 Ilustración 8. Esquema de incinerador clase V, tipo 2 (16). ............................. 16 Ilustración 9. Esquema de una caldera de recuperación para una incineradora (16). .................................................................................................................. 20 Ilustración 10. Esquema de una central eléctrica convencional y del grupo turbina-alternador (36). ..................................................................................... 21 Ilustración 11. Cultivo de colza (41). ................................................................ 27 Ilustración 12. Cultivo de girasoles (42). .......................................................... 27 Ilustración 13. Cultivo de palma (43). ............................................................... 28 Ilustración 14. Digestor continuo de mezcla perfecta (21). ............................... 34 Ilustración 15. Esquema proceso PAC (21)...................................................... 35 Ilustración 16. Reactor de filtro anaeróbico de flujo ascendente (21). .............. 35 Ilustración 17. Digestor de película fija (21). .................................................... 36 Ilustración 18. Jerarquía del tratamiento de residuos (47). .............................. 41 Índice de tablas Tabla 1. PCI de ciertas fracciones en los RSU (37). .......................................... 9 Tabla 2. Tipos de incineradores según su naturaleza física (16). .................... 13 Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 6 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. 1. Introducción y justificación Cada vez resulta más notorio el efecto ocasionado por el cambio climático sobre el planeta. Uno de los factores implicados en dicho cambio climático es el calentamiento global. Existen múltiples causas que producen dicho calentamiento. Entre ellas se halla el aumento de los gases de efecto invernadero, causante del deterioro que se origina en la capa de ozono. El gas más conocido al nombrar el efecto invernadero es el llamado CO2 o dióxido de carbono, esto se debe a que es el más generado y, por tanto, uno de los mayores responsables de obstruir la salida del calor de la parte inferior de la atmósfera. Aunque existen otros gases como el metano (CH4), el óxido nitroso (N2O), etc. A pesar de que la mayoría de dichos gases se generan en la actividad industrial también existen otros causantes de dicha liberación de gases a la atmósfera. Entre estos causantes se encuentran los vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU). Desde estos vertederos se emite a la atmósfera dióxido de carbono y metano junto a otros gases en forma de una mezcla denominada biogás. Para evitar que esto siga ocurriendo se están buscando alternativas para la gestión de residuos puesto que la generación de dichos residuos ocasiona una pérdida de recursos tanto materiales como energéticos. Atendiendo a los motivos expuestos anteriormente se va a realizar durante este proyecto la evaluación de varias alternativas sostenibles para mejorar la situación actual del tratamiento de residuos. El fin no es otro que aprovechar los residuos de forma que se puedan utilizar como recursos y no como desechos, obteniendo de ellos energía y productos útiles como los biocombustibles procedentes de la biomasa. Sobre este tema existen multitud de estudios realizados, de entre los cuales destacan Tratamiento y valorización energética de residuos realizado por el investigador Xavier Elías Castells, publicado en el año 2005, y Energía de la biomasa y biocombustibles realizado por las investigadoras pertenecientes a la Universidad de Granada María Ángeles Martín Lara y Mónica Calero de Hoces, publicado en 2020. Para desarrollar esta investigación se ha partido del estudio del escenario actual en el que se encuentran los tratamientos de residuos sólidos urbanos. Para todo ello, se ha realizado una búsqueda bibliográfica de la cual se ha obtenido toda la información. Una vez conocido este punto se han valorado qué tipos de residuos serían los adecuados para la implementación de las plantas Waste to Energy. Tras esto se desarrolla el funcionamiento de las mismas y se catalogan las utilidades que proporciona la biomasa. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 7 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. 2. Objetivo, alcance y limitaciones El presente proyecto parte del objetivo de estudiar cómo se podría valorizar los residuos sólidos no reciclables partiendo de la aportación energética que pueden ofrecer las plantas incineradoras. Teniendo en cuenta que al valorizar los residuos pertenecientes a los vertederos se colabora con la disminución de volumen de almacenamiento y con el nivel de peligrosidad que acarrean. Además de este objetivo principal existen objetivos más específicos. Estos son: • Obtener conocimientos acerca de la gestión, aprovechamiento y tratamiento de los residuos sólidos urbanos. • Adquirir conocimientos acerca de la recuperación energética tras la gestión de los residuos. • Evaluar cómo favorecería la incorporación de esta gestión a la economía circular requerida por la normativa europea actual. • Estudiar cómo se realiza la obtención de biocombustibles partiendo de residuos. • Valorar el impacto ambiental que podrían producir las plantas estudiadas en este proyecto. Para alcanzar estos objetivos se realizará una investigación acerca de cómo es el funcionamiento de una fábrica WTE con horno de parrilla y cómo se recupera energía de ella. A su vez, se desarrollará como valorizar los residuos a través del uso de la biomasa, se evaluará cómo podrían sumarse ambos procesos a la economía circular y se estudiará el impacto ambiental que podrían provocar. Actualmente no existen limitaciones técnicas que impidan la realización de este proyecto. Por el contrario, sería de utilidad llevar a cabo dicho proyecto puesto que ayudaría a preservar el medio ambiente a la vez que disminuyen los vertederos. Así mismo, las reservas naturales de materias primas cada vez escasean más, por lo que la ejecución de este proyecto también contribuiría a encontrar alternativas que permitiesen salvar la explotación del medio ambiente. Queda fuera del alcance del proyecto el diseño e implantación de las instalaciones desarrolladas en el mismo. 3. Normativa aplicable • Ley 7/2022, de 8 de abril, de residuos y suelos contaminados para una economía circular (1). • Directiva 2008/98/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de noviembre de 2008 sobre los residuos y por la que se derogan determinadas Directivas (2). • Real Decreto 553/2020, de 2 de junio, por el que se regula el traslado de residuos en el interior del territorio del Estado (3). Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 8 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. • Decreto 131/2021, de 6 de abril, por el que se aprueba el Plan Integral de Residuos de Andalucía. Hacia la economía Circular en el Horizonte 2030 (4). • Ley 21/2013, de 9 de diciembre, de evaluación ambiental (5). • Decisión de Ejecución (UE) 2018/1147 de la Comisión de 10 de agosto de 2018 por la que se establecen las conclusiones sobre las mejores técnicas disponibles (MTD) en el tratamiento de residuos, de conformidad con la Directiva 2010/75/UE del Parlamento Europeo y del Consejo (6). • Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009 relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables y por la que se modifican y se derogan las Directivas 2001/77/CE y 2003/30/CE (7). • Directiva (UE) 2018/851 del Parlamento Europeo y del Consejo de 30 de mayo de 2018 por la que se modifica la Directiva 2008/98/CE sobre los residuos (8). • Directiva (UE) 2018/2001 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 11 de diciembre de 2018, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables (9). • Real Decreto 208/2022, de 22 de marzo, sobre las garantías financieras en materia de residuos (10). • Real Decreto 205/2021, de 30 de marzo, por el que se modifica el Real Decreto 1085/2015, de 4 de diciembre, de fomento de los biocarburantes, y se regulan los objetivos de venta o consumo de biocarburantes para los años 2021 y 2022 (11). • Real Decreto 61/2006, de 31 de enero, por el que se determinan las especificaciones de gasolinas, gasóleos, fuelóleos y gases licuados del petróleo y se regula el uso de determinados biocarburantes (12). • Directiva 2010/75/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 24 de noviembre de 2010, sobre las emisiones industriales (prevención y control integrados de la contaminación) (13). 4. Desarrollo Antes de comenzar con el desarrollo y funcionamiento de las plantas WTE es necesario conocer el escenario de la gestión de residuos que existe en este momento, el significado de RSU y los tipos de residuos que se pueden emplear en la incineración realizada en dichas plantas. 4.1. Escenario actual de la gestión de residuos De acuerdo con el informe realizado por la organización británica Verisk Maplecroft (14) se estima que cada año se genera anualmente más de 2.100 millones de toneladas de RSU, lo que supondría alrededor de 41.000 km si se colocasen en línea recta. Además, afirma que de estos 2.100 millones de Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 9 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. toneladas solo un 16 %, unos 323 millones de toneladas, se reciclan cada año. Y, que el 46 % de los residuos son eliminados de una forma insostenible. Con estos datos se observa que la generación de residuos es mucho mayor de lo que se es capaz de reciclar. La mayoría de dichos residuos son generados por las industrias. Y, para combatir estos grandes volúmenes de residuos se está tratando de impulsar cada vez más la economía circular. Esta economía se basa en la creación de productos que puedan ser reutilizados con el objetivo de evitar la explotación de recursos y el derroche de materiales. 4.2. Definición de residuo sólido urbano (RSU) Acorde al libro de aspectos generales de la problemática de los RSU (15): “Es el material, producto o subproducto que, sin considerarlo peligroso, se desecha y el cual puede reaprovecharse o requiere sujetarse a métodos de tratamiento o disposición final. Pueden ser residuos orgánicos como vidrio, metales u orgánicos biodegradables, como frutas y verduras, resto de poda, entre otros”. 4.3. Tipos de residuos usados en la incineración de RSU Para poder implantarse las plantas de incineración es necesario que los RSU tengan como mínimo un poder calorífico inferior (PCI) medio de 7 MJ/kg ya que así se asegura que el proyecto sea viable. Generalmente son los países más consumistas quienes tienden a generar estos residuos debido al gran uso de plásticos y cartones para el envasado de los productos. Por el contrario, los países menos desarrollados cuentan con mucha mayor cantidad de materia orgánica en sus residuos. Esta materia orgánica otorga menos poder calorífico y al ser más húmedo también implica mayor costo en el proceso de incineración puesto que habría que secarlo previamente. A continuación, se muestran los PCI de ciertas fracciones en los RSU. FRACCIÓN PODER CALORÍFICO INFERIOR (MJ/kg) Papel 16 Materia orgánica 4 Plásticos 35 Vidrios 0 Metales 0 Textiles 19 Otros materiales. 11 En definitiva, para aplicar el proceso de incineración los residuos deben provenir de vertederos controlados y bien operados y el PCI debe ser de media 7 MJ/kg, sin permitir fracciones de residuos con PCI menores de 6 MJ/kg. Tabla 1. PCI de ciertas fracciones en los RSU (37). Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 16 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. • Tipo 2. Este tipo es semejante al anterior, solo que la primera cámara es de mucho mayor tamaño y, además, se coloca en pendiente para que resulte más sencilla la eliminación de las cenizas. Dicha pendiente no será necesariamente muy acusada ya que este tipo de incineradora permite una alta producción lo que implica un mayor empuje de las cenizas. El aumento de tamaño posibilita una mejor distribución del aire, una mejor calidad de combustión y una recuperación del calor. 4.4.2.3. La combustión en una incineradora de RSU Las unidades incineradoras suelen estar diseñadas para trabajar completamente cargada, aunque el sistema acepta sobrecargas puntuales de hasta un 110 % sin perder calidad en la incineración. El sistema que se decida usar para el proceso buscará que se puedan mover adecuadamente los residuos con el fin de favorecer la entrada de aire para la combustión. Además, los sistemas actuales cuentan con componentes electrónicos que controlan los parámetros relativos a la combustión. Por otra parte, los hornos encargados de realizar la combustión cuentan con quemadores auxiliares para tareas puntuales como el encendido de los hornos hasta la temperatura deseada, regular de la producción de vapor, etc. En este tipo de plantas incineradoras el horno se enfría usando los tubos de la caldera, es decir, están integrados. A la hora de diseñar un horno se deben de tener en cuenta los siguientes requisitos: • La combustión de los residuos se inicia a través del calor que recibe de los gases calientes y de las paredes radiantes. • Se debe realizar la incineración sin acumulación de las cenizas en las paredes del horno. • Se instalarán ventiladores de aire primario y aire secundario (aire inyectado para complementar al primario). Los ventiladores se dispondrán de forma independiente para así adecuar el caudal. Ilustración 8. Esquema de incinerador clase V, tipo 2 (16). Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 17 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. • La mezcla de los gases de combustión es fuerte debido al empleo de los ventiladores comentados previamente. Esto se realiza de esta forma con el fin de prevenir así la corrosión y la suciedad que pudiese producirse en las áreas encargadas de transmitir el calor. • Tiene que haber un precalentador de aire con vapor para asegurar el secado de los residuos. 4.4.2.4. Abastecimiento de aire de combustión A la hora de suministrar el aire para el proceso de combustión se emplean dos sistemas. Uno de los sistemas empleado para el aire primario y otro para el aire secundario. Entre ambos sistemas deben ser capaces de abastecer aire por encima de la exigencia requerida para combustión. Como se mencionó anteriormente, el aire primario es introducido junto al combustible. Este aire se toma de la zona superior del foso de residuos y al ser aspirado sirve de ayuda para conservar unas buenas condiciones en las zonas de trabajo de descarga de residuos. La parrilla donde se realiza la combustión se alimenta en varias de sus secciones de aire primario con un caudal controlado. Respecto al sistema de aire secundario, este toma el aire del ambiente por medio de un ventilador y lo suministra a una alta velocidad en la parte superior del horno. La idea de aportar el aire a dicha velocidad es que se generen turbulencias en búsqueda de realizar una combustión íntegra. Como norma general el aire secundario no se calienta. Sin embargo, el aire primario sí que sufre un calentamiento por parte de un precalentador. 4.4.2.5. Control de la incineración Se instalará un mecanismo de control de la combustión con el fin de verificar que se mantienen los siguientes indicadores: • Nivel de oxígeno. Para que la combustión se realice homogéneamente el nivel de oxígeno debe ser constante. • Velocidad de liberación de calor. Para que la caldera tenga un caudal lo más uniforme posible se debe expulsar el calor en el horno lo más constante posible. • Evitar la corrosión. Para que no ocurra corrosión las condiciones del horno y de la caldera deberán ser estables. Con este sistema de control lo que se busca es asegurar una correcta combustión mediante la variación de los parámetros nombrados y posterior comprobación de los resultados obtenidos. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 18 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. 4.4.2.6. Proceso de extracción de escorias Una vez ha sido realizada la incineración de los residuos es necesario extraer la escoria resultante del proceso. Para ello se recoge los residuos generados durante la combustión a través de un conducto con pendiente que desemboca en un recipiente previsto para ello. Además, el recipiente se encontrará lleno de agua por lo que a medida que caen los residuos se irán enfriando. Al entrar en contacto los residuos con el agua se producirá una evaporación de esta por lo que se instalará un sensor que mida el nivel de agua y accione una válvula cuando se encuentre por debajo del nivel deseado. Por otro lado, el vapor de agua que se genera pasará al horno. Dentro del recipiente de agua suele encontrarse un cilindro hidráulico que se encarga de empujar las escorias a través de un conducto de acero. De esta forma la escoria sale con la humedad necesaria para no generar emisiones de polvos. 4.4.2.7. Tratamiento de las escorias Una vez que las escorias han sido recogidas es necesario realizar una separación entre metales y escorias. Esto se realiza a través de un separador magnético y tras esto se realiza una criba vibrante. Finalmente es usual que se encuentre instalada una prensa de chatarra para preparar balas y ahorrar tanto espacio para el almacenamiento como para el transporte. 4.4.3. Elementos y funcionamiento de los sistemas de recuperación energética De la incineración se transmite calor por parte del horno. Este calor se aprovecha para producir vapor sobrecalentado en la caldera. La caldera realiza en estos casos un par de acciones interconectadas. La primera se trata de enfriar los gases generados durante la combustión y, la segunda, relacionada con la transmisión de calor de los gases a un líquido, suele ser agua. Este líquido al absorber el calor pasa a ser vapor dentro de la propia caldera. Para diseñar la caldera adecuada se deberán tener en cuenta las características exigidas por el vapor. Estas características necesarias (presión y temperatura) vendrán definidas por las estipulaciones energéticas y las restricciones operativas locales. A su vez, debe considerarse las características del gas de combustión (ensuciamiento, potenciales de corrosión y erosión). Estas particularidades dependen en gran medida del contenido de los residuos. Puede ocurrir que existan altas concentraciones de sustancias corrosivas en el gas. Si esto ocurre las técnicas de recuperación de energía se ven afectadas puesto que habría que evaluar nuevamente cual sería la más óptima. Ya que si los elementos son muy Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 19 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. corrosivos la caldera podría sufrir altos niveles de corrosión. Para evitar eso podría recurrirse a la disminución de las presiones de vapor para estos residuos. Usualmente los sistemas de recuperación de calor suelen estar compuestos por: • Zona radiante. Se transfiere el calor por radiación proveniente de la zona del horno donde se sitúa la llama. • Zona convectiva. En esta zona se encuentran los tubos provenientes de la caldera situados perpendicularmente a la dirección del flujo. En esta sección se produce vapor saturado y se recupera gran parte del calor disponible. • Zona del economizador. Esta sección se sitúa tras la zona convectiva. En esta área se trabaja generalmente a una temperatura inferior para elevar la temperatura del agua que servirá posteriormente para abastecer la caldera hasta aproximadamente el punto de ebullición. • Zona del sobrecalentador. Esta área se emplea para calentar de forma suplementaria al vapor generado en la zona de convección del horno. Se puede situar tras la zona convectiva o antes de esta. Se decidirá su posición dependiendo del flujo de masa y la cantidad de energía que se busque eliminar de la corriente de gas. En las incineradoras de residuos es habitual la presencia de altos niveles de polvo en los gases de combustión. La presencia de estas cenizas genera un riesgo puesto que producen una elevada contaminación de las superficies encargadas de realizar la transferencia de calor. En consecuencia, se obtendrá un menor rendimiento de la transferencia de calor. Debido a este motivo resulta indispensable mantener dicha superficie siempre lo mejor limpia posible. La limpieza podrá realizarse tanto de forma automática como manual. Se realiza mediante aire comprimido, chorros de agua, con agitadores u ondas de ultrasonido, entre otras. 4.4.4. Tipos de caldera Los más comunes son: • Pirotubulares. Los gases calientes pasan por dentro de los tubos y mientras estos están sumergidos en agua. • Acuotubulares. Actúa de la forma opuesta a la nombrada previamente. En este caso es el agua quien transita por el interior de los tubos y los gases o vapores quien lo hacen por el exterior. Además, este modelo se puede emplear de forma vertical, horizontal o con distintas mezclas. Lo más usual es emplear calderas acuotubulares como calderas de recuperación en plantas de incineración puesto que proporcionan niveles de potencia más elevados y permiten trabajar a temperaturas mayores. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 20 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. Estas calderas se dividen en tres partes importantes, según su orden de paso sería: • Sobrecalentador o recalentador. Es quien se encarga de aumentar la temperatura del vapor de agua. • Evaporador. Aquí es donde el agua pasa de estado líquido a vapor de agua por lo que se considera la parte principal de la caldera. • Economizador. Se trata de la parte final de la caldera. En esta zona se produce la transmisión de calor de los gases al agua para elevar la temperatura de esta. Actualmente se emplean calderas de recuperación que incorporan el área de convección en horizontal puesto que de esta forma resulta más sencillo su mantenimiento. Con el fin de evitar que los gases arrastren partículas y erosionen los tubos con ellas se usa una velocidad baja de los gases en su circulación. Esta velocidad deberá encontrarse entre 3 y 6 m/s. Respecto a la circulación del agua esta se realiza de forma natural, circula desde la zona superior, donde se condensa el vapor, hasta la zona inferior. La zona donde se produce el intercambio de calor por convección siempre será en zonas con temperaturas por debajo de 650º y debe de existir separación entre los ejes de los tubos para evitar que se acumule la ceniza y estas impidan el paso. Por otro lado, la parte convectiva de la caldera, situada de forma horizontal como se explicó previamente, cuenta con un sistema de golpeo que garantiza su funcionamiento durante periodos largos de tiempo sin necesidad de parar la caldera ni el horno para su limpieza. 4.4.5. Utilidades de la energía recuperada Las aplicaciones fundamentales que se utilizan de la energía traspasada a la caldera son: Ilustración 9. Esquema de una caldera de recuperación para una incineradora (16). Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 21 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. • Generación y suministro de agua caliente, tanto en forma de vapor como agua caliente. • Generación y suministro de electricidad. • Mezcla de los dos anteriores. Usualmente tanto el vapor como el calor se emplea para sistemas de calefacción, para procesos industriales y, a veces, como sistema de refrigeración y aire acondicionado. Por otro lado, la electricidad se provee tanto a la red de distribución nacional como para utilización propia en la instalación. 4.4.5.1. Generación y suministro de electricidad Una vez que el vapor abandona la caldera este pasa a circular a través de una o varias turbinas de vapor. Las turbinas son máquinas motoras; es decir, consumen energía a la vez que generan trabajo. En este caso se tratan de turbinas de vapor las cuales son accionadas por la presión ejercida por parte del vapor sobre la tobera y los álabes. La turbina consta de un estátor, compuesto de álabes guías fijos, seguido de un rotor, formado una corona de álabes móviles. De esta forma, el vapor ingresa a la turbina por el estátor y es dirigido por los álabes fijos hacia el rotor. El movimiento generado en el rotor se trasmite sobre el eje en el que se encuentra unido. Esta energía mecánica se transforma en energía eléctrica gracias al alternador. El alternador consta de dos partes. La primera hace referencia a un rotor (parte móvil) y la segunda a un estátor (parte fija). El rotor lo forman una serie de bobinas eléctricas a través de la cual circula corriente eléctrica continua, generando un campo magnético rotatorio. El rotor se halla conectado al mismo eje que el rotor de la turbina lo que produce su movimiento en el interior del estátor. De esta forma se induce en el estátor la denominada fuerza Ilustración 10. Esquema de una central eléctrica convencional y del grupo turbina-alternador (36). Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 22 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. electromotriz. Esta a su vez genera una corriente eléctrica alterna la cual puede distribuirse para usarla en la propia instalación o transportarse a las centrales eléctricas. 4.5. Biomasa Otro modo de proporcionar una valorización a los residuos es a través de la biomasa. Acorde a la Directiva (UE) 2018/2001 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 11 de diciembre de 2018, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables, se define biomasa como (17): “la fracción biodegradable de los productos, residuos y desechos de origen biológico procedentes de actividades agrarias, incluidas las sustancias de origen vegetal y de origen animal, de la silvicultura y de las industrias conexas, incluidas la pesca y la acuicultura, así como la fracción biodegradable de los residuos, incluidos los residuos industriales y municipales de origen biológico”. Mediante el uso de la biomasa se puede producir energía para calefacción, refrigeración, generación de electricidad, etc. Para obtener energía eléctrica proveniente de la biomasa es necesario tener presente los complejos procesos que se precisan puesto que la biomasa cuenta con un bajo poder calorífico y un alto porcentaje de humedad. Por estos motivos son necesarias centrales particularmente diseñadas para biomasa. Este tipo de centrales cuentan con calderas y hornos de mayor tamaño que cualquier otra central encargada de producir energía mediante el uso de combustibles convencionales. La biomasa puede transformarse en calor o electricidad a través de varios procesos. Se puede diferenciar principalmente dos grupos: procesos termoquímicos y procesos bioquímicos. 4.5.1. Procesos termoquímicos De este tipo de procesos se obtienen productos volátiles como gases y vapores condensables y productos sólidos. Dentro de este grupo de procesos se encuentran la pirólisis, la gasificación y la combustión. 4.5.1.1. Pirólisis A través de este proceso las moléculas hidrocarbonadas (cadena de átomos de carbono unidos entre sí y estos a su vez unidos a átomos de hidrógeno) de la biomasa pasan a formar moléculas más sencillas y de menor tamaño. Esto ocasiona la generación de tres productos: gases no condensables (producto gaseoso), una mezcla de hidrocarburos condensables (producto líquido) y un residuo negro de carbón (producto sólido). Acorde a la temperatura y velocidad a la que se realice el proceso de pirólisis se obtendrá una cantidad y composición de estos productos u otra. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 23 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. El producto líquido resultante tras la pirólisis es un fluido negro alquitranado que cuenta con hasta un 20 % de agua. El producto sólido se compone generalmente por carbono y ceniza inorgánica de la biomasa. El producto gaseoso se compone de gases como el dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano, etano y etileno. Respecto a la pirólisis, esta se considera como una etapa previa a la gasificación. Suele ser un proceso rápido sobre todo si se tratan de reactores bien mezclados. El producto esencial que se obtiene de la pirólisis es el carbón vegetal. Este carbón se emplea como combustible sólido y al ser ligero permite un transporte mucho más sencillo que la biomasa original. Además, se debe tener en cuenta que su poder calorífico también es superior al de la biomasa. 4.5.1.2. Gasificación A través de este proceso se realiza una transformación de la biomasa obteniéndose un gas combustible con poder calorífico. Mientras que para la pirólisis tener un medio de reacción es innecesario, ya que acontece en un medio inerte o en vacío, para la gasificación se precisa de un agente gasificante (vapor de agua, aire u oxígeno). En este caso se necesita un agente gasificante para que se encargue de la reordenación de la estructura molecular de la biomasa para así transformar la biomasa sólida en gases combustibles. El proceso de gasificación suele efectuarse a temperaturas elevadas, normalmente superiores a los 800 ºC, obteniéndose como resultado un gas combustible constituido por dihidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y algunas impurezas. Tras esto se realiza una separación entre el gas combustible y las impurezas. De esta división se logra un gas formado en su mayoría de H2 y CO que recibe el nombre de syngas o gas sintético. Al introducir la biomasa en el gasificador se produce un proceso de secado y tras esto una pirólisis. Posteriormente ocurren las diversas reacciones entre los componentes presentes (agentes gasificantes, vapor de agua y productos sólidos, líquidos y gaseosos resultantes de la pirólisis). Una vez realizada la gasificación se puede emplear el gas obtenido para generar energía térmica, para producir vapor en una caldera o si se acondiciona adecuadamente podría emplearse en un motor de combustión interna. Tanto de la caldera de vapor como del motor de combustión podría obtenerse energía eléctrica procedente de la energía mecánica, como se explicó en el caso de las plantas WTE. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 24 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. 4.5.1.3. Combustión de la biomasa Consiste en una serie de reacciones químicas exotérmicas entre la biomasa (combustible) y el oxígeno (comburente). De este proceso se obtienen los gases de combustión (o productos gaseosos) y los productos sólidos (cenizas y componentes inquemados). El proceso de la combustión puede dividirse generalmente en 4 fases o etapas básicas: • Secado. Puesto que la biomasa puede contener elevados niveles de humedad es necesario en algunas ocasiones realizar un proceso de secado previo. Para ello, se comienza con la evaporación del agua superficial o externa y, posteriormente, se evapora la humedad interna. • Pirólisis o desvolatilización. Una vez se obtiene una biomasa totalmente seca se realiza la descomposición térmica de dicha biomasa en compuestos condensables (como alquitranes) gases y residuos de carbono sólido. • Combustión de los volátiles. Estos se componen de los compuestos condensables y los gases. Estos volátiles se oxidan y con ello producen una alta liberación de calor ya que, las reacciones de oxidación son muy exotérmicas. Gracias a ello se consigue una sostenibilidad en el proceso de combustión. • Combustión de los residuos de carbono sólido. Se produce simultáneamente con la fase anterior, pero la combustión es aún más exotérmica. Este proceso es el más empleado de los tres ya que posibilita su uso tanto para uso doméstico (cocción, calefacción) como industrial. 4.5.2. Procesos bioquímicos Durante este proceso se realiza una descomposición de la biomasa producida por microorganismos. Por tanto, la transformación bioquímica sucede a través de transformaciones químicas y biológicas derivadas de procesos bioquímicos de microorganismos. Usualmente se usan este tipo de procesos cuando se tiene biomasa con gran cantidad de humedad. Los procesos bioquímicos pueden separarse en dos: anaeróbicos y aeróbicos. 4.5.2.1. Digestión anaeróbica En este proceso destaca la carencia de oxígeno. Durante su desarrollo se genera una mezcla de gases como resultado de la transformación de la biomasa. Esta mezcla de gases se denomina como biogás. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 25 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. Los microorganismos que efectúan este proceso suelen pertenecer a los residuos de forma natural y en su mayoría son bacterias. Por ende, en este proceso se pueden destacar un par de elementos destacables que son: • Capacidad de depuración. Se posibilita la eliminación de un residuo reduciendo así su impacto ambiental. Asimismo, se produce durante el proceso lodo residual. Este lodo es en muchas ocasiones un magnífico abono orgánico. • Capacidad de generar combustibles. La digestión anaeróbica se produce en cuatro fases. − Fase 1, hidrólisis. Esta fase se realiza de forma sencilla y se obtiene elementos de cadena más corta de las moléculas más largas de proteínas, lípidos e hidratos de carbono pertenecientes a la biomasa. − Fase 2, acidogénesis. Durante esta etapa se desarrolla la transformación bacteriana de los compuestos obtenidos en la primera fase en compuestos intermedios con un peso molecular más pequeño. − Fase 3, acetogénica. Está definida por un grupo de bacterias anaeróbicas. Estas bacterias aumentan rápidamente y no son muy sensibles a los cambios ambientales. Esto implica que el cambio producido de moléculas durante esta fase, principalmente en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono, comience muy pronto. − Fase 4, metanogénica. Se trata de la etapa más difícil. Esta etapa se genera, al igual que la fase anterior, por bacterias anaeróbicas, pero con un desarrollo más pausado y sensible a los cambios ambientales. Debido a estas características se trata de la fase más delicada y, además, restringe la velocidad de todo el proceso. Lo que se busca con este tipo de digestiones es la obtención de un producto gaseoso (biogás) fundamentalmente formado por metano y dióxido de carbono. 4.5.2.2. Fermentación alcohólica Este procedimiento se fundamenta en la transformación de los azúcares más sencillos en etanol (o alcohol etílico) y dióxido de carbono en presencia de microorganismos. Usualmente se realiza este proceso tomando en cuenta condiciones anaeróbicas. De este procedimiento se obtienen dos productos destacables: el bioalcohol y una masa proteica. El bioalcohol se puede emplear como biocombustible (bioetanol) una vez ha sido purificado. Por otro lado, las levaduras generan una masa proteica muy útil para la fabricación de piensos. Usualmente de este tipo de fermentaciones se obtiene un bioalcohol que cuenta con un porcentaje en volumen de entre 14 y 18 % de alcohol. A causa de esto, se necesita la realización de una purificación del bioalcohol para su aplicación Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 32 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. fermentación se obtiene como beneficio dos productos básicos. Estos productos son una disolución acuosa de etanol y una masa proteica que se emplea para los piensos. Para realizar una fermentación adecuada se precisa de un ambiente en el que los microorganismos puedan crecer y reproducirse mientras acaban con los sustratos. Como resultado de esto se obtiene una biomasa microbiana. La obtención de etanol partiendo del azúcar se realiza mediante la llamada glucólisis. Acorde con un artículo publicado en la web del Instituto Nacional del Cáncer (22) queda definida la glucólisis como: “proceso en el cual las células, en las reacciones enzimáticas que no necesitan oxígeno, descomponen parcialmente la glucosa (azúcar). La glucólisis es uno de los métodos que usan las células para producir energía. Cuando la glucólisis se vincula con otras reacciones enzimáticas que usan oxígeno, se posibilita una descomposición más completa de la glucosa y se produce más energía”. Durante este proceso se deben ir evaluando y controlando fundamentalmente los siguientes parámetros: − Temperatura. Se debe considerar la temperatura óptima para el crecimiento de los microorganismos. Además, también se deberá disponer de un sistema adecuado para la refrigeración que permita mantener dicha temperatura. Esto se debe a que durante el proceso de fermentación se libera calor. − Nutrientes. Es un factor clave para el correcto crecimiento microbiano. Si no existen los nutrientes que requieren los microorganismos estos no realizarán una fermentación adecuada. 4.5.3.5. Introducción al biogás Según la Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009 relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables (7) se define biogás como: “combustible gaseoso producido a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos y que puede ser purificado hasta alcanzar una calidad similar a la del gas natural, para uso como biocarburante, o gas de madera”. El biogás está compuesto en términos generales de metano (CH4), y dióxido de carbono (CO2). El biogás tiene un amplio campo de aplicaciones pudiendo ser materia prima de otros compuestos químicos y combustible para muchos otros casos. Este se puede emplear en los casos en los que se utilice gas natural siempre y cuando primero exista un proceso de purificación. Algunas de sus aplicaciones son: • Generación de vapor y calor. En los países que cuentan con el desarrollo necesario generan calor para la cocina en plantas de pequeño tamaño. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 33 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. Para poder emplear los quemadores convencionales se realiza una sencilla configuración de relación entre combustible y aire. • Generación de electricidad. Para este caso lo más empleado es la combustión del biogás mediante el uso de motores de combustión interna alternativa. También se pueden emplear turbinas de gas o microturbinas. • Combustible para vehículos. En este caso se precisa de una purificación previa del biogás hasta obtener una calidad similar a la del gas natural. A la hora de transportar el biogás existen dos opciones: − Biogás comprimido (BGC). Se realiza a temperatura ambiente y a 200 kg/cm2 de presión. Se utilizan sobre todo en vehículos ligeros. − Biogás Licuado (BGL). Se realiza a -160 ºC. Se usa tanto en vehículos ligeros como pesados. Las materias primas fundamentales son: • Residuos ganaderos. Comprende desde restos de alimentos hasta pelos o plumas de animales. Usualmente se tratan estos residuos mediante el uso de una digestión anaeróbica. • Lodos producto del tratamiento de aguas residuales urbanas. • Fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORSU). Para usar estas fracciones para la producción de biogás se necesita obtener una alta pureza de estos residuos ya que de no ser así la planta no tendría un correcto funcionamiento. • Residuos agrícolas y residuos orgánicos de la industria agroalimentaria. 4.5.3.6. Producción de biogás Antes de comenzar con los diferentes procesos y tecnología disponible para obtener el biogás se precisa tener una idea general de cómo es el funcionamiento de la digestión anaeróbica. La digestión anaeróbica o biometanización queda definida resumidamente como el proceso biológico a través del cual se produce la fermentación de los residuos orgánicos. Al hablar de la biometanización de RSU se pueden destacar tres etapas principales. • Etapa 1. Se separa y prepara la fracción orgánica perteneciente a los RSU. • Etapa 2. Es aquí donde se realiza la incorporación de agua y nutrientes, se ajusta la temperatura y el pH. En esta etapa ocurre la digestión anaeróbica en los digestores acondicionados para ello. • Etapa 3. Una vez transcurre el proceso y se genera el biogás se procede a la captura y almacenamiento del mismo. A su vez se realiza la deshidratación de los fangos y se retiran estos fangos del digestor. Según su régimen de operación pueden ser: Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 34 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. • Régimen discontinuo, en este tipo de régimen la biomasa se encuentra suspendida. • Régimen continuo, en este tipo de régimen la biomasa puede estar suspendida, adherida o ser de sistemas múltiples. A continuación, se explicarán algunos tipos de digestores existentes y relativos a los regímenes. Digestor discontinuo de mezcla perfecta Sus propiedades fundamentales son: − Como su nombre indica se trata de un reactor accionado por ciclos, es decir, funciona con un régimen discontinuo. − La concentración es uniforme tanto para el sustrato como para los microorganismos. − Al tratarse de un régimen discontinuo la biomasa se encuentra suspendida lo que implica que al vaciar el reactor los microorganismos son expulsados junto al lodo que ha sido previamente digerido. Dentro de este digestor se encuentra un sistema que sirve como agitador. Este tipo de digestores son los sencillos y baratos. Se usa principalmente cuando se dispone de una gran cantidad de residuos sólidos (>200 g/L). El suministro de sustrato se realiza de manera discontinua lo que genera que sea necesario vaciar el digestor por completo una vez finaliza la fermentación y tras esto volver a reponer el sustrato. Digestor continuo de mezcla perfecta Este reactor es muy similar anterior, siendo su diferencia más significativa el hecho de funcionar de manera continua. Se trata de reactores sencillos y relativamente baratos. Aunque sus producciones de gas son bajas debido a que la biomasa anaeróbica, es decir, activa es limitada. Digestor de contacto (proceso anaeróbico de contacto, PAC) Este tipo de digestor es similar al empleado en el tratamiento de aguas residuales. El digestor tipo PAC se compone de un reactor anaeróbico, en él se encuentra el cultivo suspendido, seguido de un desgasificador para terminar con un sistema encargado de realizar la separación de los residuos sólidos. Tras estos se vuelven a introducir los microorganismos dentro del sistema. Ilustración 14. Digestor continuo de mezcla perfecta (21). Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 35 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. Se emplea un desgasificador entre el reactor y sistema de separación para extraer las posibles burbujas de biogás que pudiesen encontrarse adheridas al lodo. Se utiliza este tipo de digestores cuando se trabaja con influentes (residuos que alimentan el digestor) que cuentan con una carga orgánica elevada como las aguas residuales de azucareras, cerveceras, etc. Y para influentes que contienen una alta carga de sólidos suspendidos. Digestor anaeróbico de flujo ascendente En estos tipos de reactores se dispone de un material inerte en el que se sustentan los microorganismos dando lugar a una capa de biomasa ligada a dicho material inerte. Se suele usar materiales cerámicos o plásticos como soporte ya que son los que cumplen de forma más efectiva los requerimientos exigidos. Los soportes pueden encontrarse fijos o no. En el caso del filtro anaeróbico se trata de un reactor con soportes fijos pero colocados de forma aleatoria. Este tipo de digestores funciona en régimen continuo y se alimenta desde su parte inferior y asciende recorriendo todo el reactor hasta abandonar el mismo por la zona superior de este. En estos reactores los microorganismos se adhieren al material inerte formando gránulos. Al incrustarse y crecer estos gránulos en las mallas del soporte se consigue un alto porcentaje de microorganismos. Al producirse la alimentación desde el nivel más bajo y junto a la producción del biogás se consigue una agitación de manera natural. Cuenta con una gran ventaja a la hora de ahorrar espacio ya que necesitan menor volumen de reacción y a su vez genera una elevada cantidad de biogás. Ilustración 15. Esquema proceso PAC (21). Ilustración 16. Reactor de filtro anaeróbico de flujo ascendente (21). Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 36 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. Por otro lado, es difícil de eliminar el exceso de biomasa a la vez que resulta necesario ya que se puede producir una obstrucción. Además, no debe alimentarse con residuos que dispongan muchos sólidos suspendidos por el mismo motivo. Filtro de película fija Se trata de un digestor similar al anterior exceptuando que en este reactor la biomasa se encuentra adherida a filtros orientados, no colocados al azar. Además, en este tipo de digestores el flujo va desde una zona superior a una inferior no ascendentemente como se ha comentado antes. Este sentido del flujo se debe a que al tratarse de un fujo descendente se consigue un transporte de la biomasa adherida y se previene el taponamiento de los conductos. 4.6. Economía circular 4.6.1. Introducción a la economía circular Generalmente está implantado un modelo lineal de producción que consiste en usar materias primas y recursos para crear un producto y deshacerse de él una vez que termina su vida útil. De esta forma se trata tanto la materia prima como los recursos de forma indefinida a la vez que se generan grandes cantidades de residuos que finalmente terminan en vertederos. Teniendo en cuenta el ritmo actual de demanda las materias primas existentes no podrán mantener dicho ritmo exigido en un futuro próximo. Por este motivo, junto a la lucha contra la gran generación de residuos, la Plataforma Europea sobre la Eficiencia en el Uso de los Recursos se posiciona a favor de la economía circular y busca su implantación. La llamada economía circular se define según el citado Kirchherr et al. en el documento de Gestión de Residuos y economía circular (23) como: “un sistema económico que se basa en modelos de negocio que sustituyen el concepto de “fin de vida” por la reducción, reutilización, reciclaje y recuperación de materiales en procesos de producción/ distribución y consumo, operando así a nivel micro (productos, empresas, consumidores), nivel meso (parques eco-industriales) y nivel macro (ciudad, región, nación y más), con el objetivo de lograr un desarrollo sostenible, que implica crear calidad ambiental, prosperidad económica y la equidad social, en beneficio de las generaciones actuales y futuras”. Ilustración 17. Digestor de película fija (21). Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 37 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. 4.6.2. Gestión de los Residuos Sólidos Urbanos En la Directiva 2008/98/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de noviembre de 2008 (2) se establece una jerarquía de residuos que servirá de orden de prioridades en la legislación y la política sobre la prevención y la gestión de los residuos que acorde al artículo 4 es la siguiente: a) “Prevención. b) Preparación para la reutilización. c) Reciclado. d) Otro tipo de valorización, por ejemplo, la valorización energética. e) Eliminación”. Como se observa, en esta jerarquía prima el desarrollo de los objetivos que ayudan a reducir la producción de nuevos residuos. Para cumplir con dichos propósitos los gobiernos deben instaurar procedimientos para la gestión de residuos como pueden ser el Sistema de Depósito, Devolución y Retorno (SDDR) o los Sistemas Integrados de Gestión (SIG). La ley 22/2011 de 28 de julio (1) dice textualmente en el artículo 11 que “de acuerdo con el principio de quien contamina paga, los costes relativos a la gestión de los residuos tendrán que correr a cargo del productor inicial de residuos, del poseedor actual o del anterior poseedor de residuos de acuerdo con lo establecido en los artículos 42 y 45.2”. Y además en su artículo 17 dice que: “el productor u otro poseedor inicial de residuos, para asegurar el tratamiento adecuado de sus residuos, estará obligado a: a) Realizar el tratamiento de los residuos por sí mismo. b) Encargar el tratamiento de sus residuos a un negociante, o a una entidad o empresa, todos ellos registrados conforme a lo establecido en esta Ley. c) Entregar los residuos a una entidad pública o privada de recogida de residuos, incluidas las entidades de economía social, para su tratamiento. Dichas operaciones deberán acreditarse documentalmente”. Por tanto, las empresas podrán delegar estas obligaciones a los sistemas de gestión de residuos nombrados previamente (SIG). El SIG se basa principalmente en tres puntos: • Compromiso empresarial: es la empresa quien se encarga económicamente del funcionamiento del SIG. • Compartir responsabilidad administrativa: para un correcto funcionamiento del SIG se precisa una coordinación entre los locales para que cuando se realice la recogida selectiva de residuos se pueda producir un transporte y una división de los mismos en las plantas oportunas. • Colaboración ciudadana: a través de la adecuada separación de envases en casa y su correspondiente depósito en los contenedores pertinentes. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 38 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. A nivel nacional existen algunos SIG conocidos como son Ecoembes (se encarga de plásticos, latas, briks y envases de papel y cartón), Ecovidrio (encargado de los envases de vidrio) o SIGRE (gestiona los envases y restos de medicamentos a nivel doméstico). Por otro lado, también se debe considerar el uso del SDDR complementariamente al SIG. Este sistema se basa en pagar previamente por los envases que se van a usar y recuperar dicho dinero una vez que se devuelven dichos envases. Una vez se recogen estos envases vacíos pueden ocurrir dos casos. • Caso 1, reutilización. El envase pasa por un proceso de lavado y rellenado del mismo producto. • Caso 2, reciclaje. Los envases de un solo uso se recogen y reciclan convenientemente. En los sistemas SDDR los envases no sufren desperfectos como sí que puede ocurrir en los vidrios recogidos por el sistema SIG. Además, los envases sufren mucho menor deterioro puesto que al recogerlos y depositarlos en su planta de tratamiento correspondiente no sufren ningún tipo de contaminación como puede ocurrir al depositar los envases vacíos en contenedores erróneos. Por otro lado, al no recibir el dinero del envase hasta que no se devuelve el comprador se ve comprometido con la devolución de los mismos. Según se nombra en el documento de Gestión de Residuos y economía circular (23) en países como Australia al implementar el SDDR han conseguido disminuir entre un 49 % y 78 % de envases en los fondos marinos. A la hora de implementar un SIG es necesario evaluar los sistemas de recogida existentes en ese destino. Por ejemplo, en España se emplea principalmente el uso de contenedores tanto enterrados como superficiales, la recogida de puerta por puerta y, finalmente, los puntos limpios. En cuanto a la retirada puerta a puerta, los desechos son divididos y ordenados por los propios residentes. Tras esto se colocan en contenedores, bolsas, sacos, etc. Y se depositan junto a las viviendas de los residentes. Una ventaja de este sistema es que la distancia que se debe recorrer es menor. Por otro lado, existen estudios como el Seyrin et al. (2015) citado en el documento de Gestión de Residuos y economía circular (23) en el que se muestran valores que apuntan a una mejora en cuanto a las tasas de reciclaje se refiere. Además de disminuir los gastos generados por la separación y clasificación de los residuos una vez llegan a la correspondiente planta de tratamiento. Sin embargo, entre sus desventajas se encuentra una mayor producción de emisiones contaminantes puesto que son más puntos de recogida. Respecto a la recogida en contenedores la forma de recogida de los residuos es más sencilla. En ella son los usuarios quienes acuden a los contenedores a Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 39 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. depositar los residuos. Con ello se aumenta la distancia entre las viviendas y la zona de recogida respecto al sistema anterior. Pero se reducen las emisiones generadas por los camiones de recogida ya que se disminuyen los puntos de recogidas. Aunque este sistema también presenta algunas desventajas ya que se precisa de una zona en un espacio público para la ubicación de los contenedores. Asimismo, pueden producirse negligencias por parte de los usuarios que depositan residuos voluminosos, muebles y demás fuera de los propios contenedores produciendo en ocasiones malos olores y plagas. En relación a los puntos limpios o verdes se tratan de grandes espacios destinados a la recolección de ciertos residuos específicos que no se pueden desechar en otros sistemas de recogida como pueden ser electrodomésticos, muebles, etc. Por tanto, para implementar la llamada economía circular es necesario un sistema adecuado de recolección que permita clasificar, reutilizar y reciclar todos los residuos que se generan. Para la implementación de este tipo de economía se deben valorar los siguientes puntos: • La economía circular proporciona independencia respecto de la materia prima y energía, genera empleos y disminuye los costes puesto que se reutiliza lo que ya se ha generado. • Permite invertir en innovación tanto para la producción de nuevos artículos como para el progreso de la tecnología. Además de permitir incluso la modificación de los modelos actuales de consumo. • Se produce la coordinación entre industrias ya que lo que un proceso industrial desecha puede servir como materia prima de otro proceso. • La reducción de costes. Esto conllevaría una disminución del precio de venta que puede llegar a traducirse en mayor cantidad de consumo. Por otro lado, también deben estudiarse los posibles inconvenientes como son: • La falta de financiación para implantar la economía circular. • La prohibición de ciertos países que no permiten la importación de residuos. Esto genera dificultades en la Europa debido a que cuenta con un bajo nivel de reciclaje. • El modelo actual de productos dedicado especialmente a ciertos productos genera dificultades a la hora de su reutilización, reparación y reciclado. Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 40 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. 4.7. Análisis de resultados 4.7.1. Análisis económico Realizar la instalación de una planta incineradora de RSU implica una inversión inicial de igual magnitud que la necesaria en una planta térmica capaz de producir electricidad. Esto se debe a que son plantas muy similares en las que su principal diferencia es la materia prima empleada. Esta inversión abarcaría el coste del terreno, de los hornos, de las calderas, de la propia obra y demás elementos necesarios. Además, la planta contará con una serie de gastos fijos (principalmente gastos del personal y gastos administrativos) y unos gastos variables (gastos de mantenimiento, tratamientos de residuos, luz, agua, combustible, etc.). Por otro lado, el tipo de residuo afectará también en la propia economía. Ya que, si por ejemplo existen residuos con gran cantidad de humedad será necesario un tratamiento previo de secado. No obstante, contará con ingresos provenientes de la venta energética y la incineración de residuos. Si se decide emplear métodos de valorización como la incineración entre sus fines se buscará obtener beneficios con la producción de energía. Aunque también deben considerarse los gastos que pueden suponer los impactos ambientales si no se siguen los requisitos técnicos exigidos. Aún con estos gastos y como se indica en el estudio realizado acerca de la planta incineradora de Cantabria (24): “Beneficio= 13.393.084 €/año - 7.620.196 €/año = 5.772.888 €/año. A la vista de los resultados obtenidos podemos ver que además de las ventajas ya comentadas sobre la incineración de residuos se obtiene un alto beneficio económico”. Es decir, que pese a la inversión necesaria y los costes que acarrea se trata de una alternativa viable. De hecho, en el propio estudio se demuestra como a los 7 años de su puesta en servicio han recuperado la inversión inicial. Además, a medida que aumenta el uso de una planta de incineración se reducen sus costes. De modo que las plantas que dispongan de alta capacidad contarán también con un alto nivel de empleabilidad para disminuir costes. Respecto a la biomasa además de los costes de inversión para la adquisición del terreno, construcción de la planta y demás debe considerarse que al tratarse de una materia prima que en ocasiones proviene de cultivos destinados a ella, particularmente, no se puede establecer un precio exacto ya que este dependerá de la recolección de los cultivos, de los inconvenientes que hayan sufrido (heladas, sequía, etc.) y la lejanía de estos de las plantas de tratamientos de la biomasa. A pesar de esto y según el estudio sobre la Economía Española de la biomasa (25): “las instalaciones de biomasa existentes en España contribuyen a evitar un Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 41 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. coste equivalente a 334 millones de euros en emisiones de CO2, tanto por sustitución de combustibles fósiles como por evitación de vertido (especialmente de deyecciones ganaderas) y evitan un coste equivalente a 150 millones de euros destinados a la extinción de incendios”. Asimismo, de acuerdo el proyecto básico de una planta de biomasa (26) se pueden obtener anualmente grandes beneficios de la planta: “Beneficio total = Beneficio anual - costes operación y mantenimiento – coste de la biomasa = 3.770.165,86 € - 315.000 € - 954.710,4 € = 2.500.455,46 €”. De hecho, en el mismo proyecto se comprueba como se recuperaría la inversión en menos de un año y medio y como se obtiene su Valor Actual Neto (VAN) positivo. Esto demuestra que el proyecto cuenta con una viabilidad alta a la vez que lo hace seguro económicamente. 4.7.2. Valorización de impactos 4.7.2.1. Impacto ambiental Acorde al libro tratamiento y valorización energética de los recursos (16) se define el impacto ambiental de una actividad industrial como: “la diferencia entre la situación ambiental durante un periodo del proceso (al finalizarlo o en un momento intermedio) y el instante inicial”. Mediante la evaluación de los impactos se logra identificar, predecir y evitar los efectos sobre el medio ambiente. Cuando se realiza un estudio del impacto ambiental se busca: 1. Evitar los desperfectos ocasionados por las actividades desarrolladas ya que subsanarlos podrían suponer un alto precio tanto a nivel económico como en el bienestar social. 2. Tener acceso a datos que ayuden a instaurar en la toma de decisiones los posibles efectos causados sobre el entorno. 3. Exponer la información de manera global sobre los impactos producidos por la actividad desarrollada sobre el medio ambiente. 4. Hacer partícipe a todos los organismos tanto públicos como privados para que se comprometan con el medio ambiente. Incineradora de residuos De acuerdo a la ilustración 18 la incineración de los residuos proporciona una valorización energética de aquellos residuos que no se han podido valorizar materialmente. De esta forma se ayuda también a la disminución de residuos destinados a vertederos. Ilustración 18. Jerarquía del tratamiento de residuos (47). Inmaculada Concepción Campins Benítez. Transformación y valorización energética de los residuos urbanos. 48 Escuela Politécnica Superior. Grado en Ingeniería Mecánica. 6. Bibliografía 1. Ley 7/2022, de 8 de abril, de residuos y suelos contaminados para una economía circular. Boletín Oficial del Estado (BOE). [En línea] 9 de abril de 2022. [Citado el: 15 de Mayo de 2022.] https://www.boe.es/buscar/pdf/2022/BOE-A-2022-5809-consolidado.pdf. 2. Unión Europea. Directiva 2008/98/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de noviembre de 2008 sobre los residuos y por la que se derogan determinadas Directivas. Diario Oficial de la Unión Europea. 3. Real Decreto 553/2020, de 2 de junio, por el que se regula el traslado de residuos en el interior del territorio del Estado. Boletín Oficial del Estado (BOE). [En línea] 19 de Junio de 2020. https://www.boe.es/buscar/pdf/2020/BOE-A-2020-6422-consolidado.pdf. 4. Decreto 131/2021, de 6 de abril, por el que se aprueba el Plan Integral de Residuos de Andalucía. Hacia una Economía Circular en el Horizonte 2030. Boletín Oficial de la Junta de Andalucía (BOJA). [En línea] 9 de Abril de 2021. [Citado el: 29 de Mayo de 2022.] https://www.juntadeandalucia.es/eboja/2021/66/BOJA21-066-00005-5852- 01_00189744.pdf. 5. Ley 21/2013, de 9 de diciembre, de evaluación ambiental. Boletín Oficial del Estado (BOE). [En línea] 11 de diciembre de 2013. 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