Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla

i Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado en Ingeniería de la Energía Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Autor: Daniel Caballero Sánchez-Bermejo Tutora: Alicia Ronda Gálvez Dpto. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 iii Trabajo Fin de Grado en Ingeniería de la Energía Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Autor: Daniel Caballero Sánchez-Bermejo Tutora: Alicia Ronda Gálvez Profesora titular Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 v Trabajo Fin de Grado: Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Autor: Daniel Caballero Sánchez-Bermejo Tutora: Alicia Ronda Gálvez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2025 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros A mis amigos ix Agradecimientos Quisiera empezar agradeciendo a mis padres y, en general, a mi familia. Sin duda, son un pilar fundamental en mi vida y un apoyo incondicional en todo momento. Gracias por ofrecerme tantas oportunidades e inculcarme unos valores esenciales para la sociedad en la que vivimos. A mis amigos, que me han acompañado en todo momento y siempre han estado a la altura. Gracias por estar ahí constantemente y suponer un refugio en los momentos que más lo he necesitado. Para finalizar, gracias a todos y cada uno de mis profesores, los cuales siempre me han aportado algo positivo de una forma u otra. En particular, quiero destacar el papel de mi tutora del TFG; su ayuda y compromiso han sido fundamentales para el desarrollo de este trabajo. Daniel Caballero Sánchez-Bermejo Sevilla, 2025 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Toneladas de fracción orgánica tratada por "Campiña 2000" en 2019. Fuente: Mancomunidad de Municipios de la Comarca de la Campiña de Sevilla, 2020 12 Tabla 2. Toneladas de residuos municipales en Sevilla por planta de tratamiento, en 2022. Fuente: Descargas Radiam, 2023 13 Tabla 3. Toneladas de residuos municipales orgánicos en Sevilla por planta de tratamiento, en 2022. 14 Tabla 4. Producción y rendimiento en canal de carne en España por tipología más común. Fuentes varias, principalmente ANICE, 2024 y Subdirección General de Producciones Ganaderas y Cinegéticas, 2024 20 Tabla 5. Producción de desecho en una industria cárnica estándar por tipología de carne 21 Tabla 6. Producción (en toneladas) de cítricos en Sevilla, en 2023. Fuente: Junta de Andalucía, 2023 22 Tabla 7. Producción (en toneladas) de frutas y hortalizas en Sevilla, en 2022. Fuente: Subdirección General de Frutas y Hortalizas y Vitivinicultura, 2023 22 Tabla 8. Producción total de residuos para la planta en función de su tipología 24 Tabla 9. pH en función del tipo de bacteria. Fuente: Morales, 2005; Arhoun et al., 2017 31 Tabla 10. Clasificación reactores anaerobios según disposición de retención de biomasa 36 Tabla 11. Especificaciones técnicas planta de digestión anaerobia de TRACJUSA. Fuente: IDAE, 2007 41 Tabla 12. Especificaciones técnicas planta de digestión anaerobia de Vila-Sana. Fuente: Agencia Andaluza de la Energía, 2011 42 Tabla 13. Especificaciones técnicas planta de digestión anaerobia de Las Dehesas. Fuente: Ayuntamiento de Madrid, 2019. 42 Tabla 14. Dimensiones digestor anaerobio 42 Tabla 15. Porcentaje de mezcla de cada tipo de residuo 44 Tabla 16. Densidad media por tipo de residuo. Fuente: MITECO, 2025; Ortega, 2018 entre otras 44 Tabla 17. Producción de biogás por tipo de residuo orgánico. Fuentes: Agencia Andaluza de la Energía, 2011; Agrawal et al., 2022; Cu et al., 2015; Sedigas, 2023 45 Tabla 18. Fraccionamiento del sustrato en el digestor anaerobio por tipo de residuo 46 xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Evolución emisiones sector residuos y agrícola. Fuente: elaboración propia a partir de datos de MITECO, 2025 1 Figura 2. Emisiones nacionales de GEI en 2022, para residuos, por actividad y tipo de gas. Fuente: elaboración propia a partir de datos de MITECO, 2024 2 Figura 3. Emisiones nacionales de GEI en 2022, para agricultura, por actividad y tipo de gas. Fuente: elaboración propia a partir de datos de MITECO, 2024 2 Figura 4. Contenedor de restos en Sevilla. Fuente: fotografía tomada en C/Bartolomé de Medina, Sevilla. 4 Figura 5. Contenedor de residuos orgánicos en Sevilla. Fuente: fotografía tomada en C/ Menéndez Pelayo, Sevilla. 4 Figura 6. Recogida selectiva materia orgánica en Sevilla. Fuente: elaboración propia a partir de datos de LIPASAM, 2025 5 Figura 7. Jerarquía gestión de residuos. Fuente: elaboración propia a partir de Repsol, 2025. 5 Figura 8. Localización de plantas de biometanización es España. Fuente: Sedigas, 2025 8 Figura 9. Mapa ubicación plantas de tratamiento. Fuente: Google LLC., 2024 12 Figura 10. Línea de entrada de selectiva (envases de plástico, bricks y latas). Fuente: Mancomunidad La Vega, 2017. 13 Figura 11. Radios marcados desde cada planta. Fuente: Google Earth 15 Figura 12. Zoom zona de convergencia de los radios. Fuente: Google LLC., 2024 16 Figura 13. Señalización área de posible colocación de la planta de digestión. Fuente: Google LLC., 2024 16 Figura 14. Demarcación planta de digestión sobre el cómputo global de la zona de estudio. Fuente: Google LLC., 2024 17 Figura 15. Radio 60 km (morado) desde punto de instalación de la planta. Fuente: Google LLC., 2024 18 Figura 16. Representación del desperdicio alimentario en el ámbito de las frutas y hortalizas a medida que avanza la CSA, por continente: Fuente: Gustavsson et al., 2012 23 Figura 17. Equivalencias del biogás con otras fuentes de energía. Fuente: IDAE, 2007 26 Figura 18. Esquema simplificado del proceso de digestión anaerobia. Fuente: elaboración propia 27 Figura 19. Esquema de degradación anaerobia por etapas. Fuente: Arnaiz, 2024 28 Figura 20. Esquema general proceso de digestión anaerobia. Fuente: elaboración propia basada en Ronda, 2024 33 Figura 21. Potencial biometanización con y sin pretratamiento de diversos sustratos. SPA: Residuos animales. Fuente: Agencia Andaluza de la Energía, 2011. 34 Figura 22. Comparación pretratamiento en residuos animales conforme a la producción de metano. Fuente: Agencia Andaluza de la Energía, 2011 35 Figura 23. Esquemas digestores de mezcla completa. Fuente: IDAE, 2007 37 Figura 24. Esquema digestores de flujo pistón y discontinuo. Fuente: IDAE, 2007 37 Figura 25. Esquemas de digestores con retención de biomasa. Fuente: IDAE, 2007 38 Figura 26. TRH en el digestor en función de la temperatura del proceso. Fuente: elaboración propia a partir de datos de Morales, 2005 41 xix 1 1 INTRODUCCIÓN ndudablemnete, uno de los principales desafíos a los que nos enfrentamos hoy en día es el cambio climático, una cuestión que preocupa, y mucho, no sólo por las fatales consecuencias que acarrea consigo, sino también por el hecho de que sigue y seguirá vigente durante varios años. Sin embargo, gracias a las acciones que están siendo tomadas por los distintos órganos observamos que, poco a poco, se van controlando los niveles de emisiones. La tendencia actual va encaminada hacia una transición ecológica que combata este problema y descarbonice el sistema. Desde 2021 contamos con el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC), que es la trasposición de la descarbonización exigida por Europa. El objetivo que persigue este plan es alcanzar una reducción, a nivel nacional, de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) del 32% para el año 2030 respecto a los niveles de emisiones medidos en 1990, o de un 55% de reducción si lo comparamos con los GEI emitidos en el año 2005 (Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, 2024). En el marco de esta problemática, tanto a nivel global como nacional, es ampliamente reconocido el elevado consumismo en el que está inmersa la sociedad; un fenómeno que desencadena la generación de residuos cada vez más al alza. En una búsqueda para tratar de frenar este suceso existen normativas que regulan su gestión como se explicará a posteriori, pero a modo de avance, este trabajo va encaminado hacia el estudio del aprovechamiento de los residuos con el fin de reducir la cantidad que van a vertedero y, con ello, moderar las emisiones contaminantes, favorecer la circularidad de los procesos y además, desarrollar una fuente de energía que sirva de alternativa sostenible a los combustibles fósiles como el gas natural. 1.1 Emisiones Son varios los sectores causantes de estas emisiones de GEI, donde destaca el sector transporte como el principal emisor. Sin embargo, nos centraremos en analizar los sectores involucrados en lo referente a este trabajo: el sector de agricultura y el de residuos, cuyas reducciones de emisiones para 2030 con respecto al año 2005 se estiman en un 18,6% y un 26,6% respectivamente. Atendiendo a los datos aportados por el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (2024), en el año 2022, se aprecia como el sector agrícola supuso el 11,9% de las emisiones totales (lo equivalente a 34.863 kt CO2 eq) mientras que los residuos fueron el 5% con respecto al total, unas 14.732 kt CO2 eq (ver Figura 1). Figura 1. Evolución emisiones sector residuos y agrícola. Fuente: elaboración propia a partir de datos de MITECO, 2025 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 ktCO2eq Años Emisiones de CO2eq desde 2005 hasta 2030 Residuos Agrícola I Introducción 2 Si indagamos más en lo expuesto se puede distinguir entre los distintos gases que componen los GEI. Siguiendo en 2022, en primera instancia, el gas que ocupa la mayor fracción es el CO2, que representa el 79,8 % de las emisiones totales; seguidamente, el metano que supone el 14,4 %; después el N₂O con un 4 %; y, finalmente, los gases fluorados, un 1,9 % (Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, 2024). Dentro de los sectores a tratar, se mostrarán las toneladas de CO2 equivalente emitidas, diferenciando entre los distintos tipos de gases mencionados y las actividades dentro de cada sector. En la Figura 2 y 3 se observa las emisiones de GEI para el sector residuos y agrícola respectivamente. Figura 2. Emisiones nacionales de GEI en 2022, para residuos, por actividad y tipo de gas. Fuente: elaboración propia a partir de datos de MITECO, 2024 Figura 3. Emisiones nacionales de GEI en 2022, para agricultura, por actividad y tipo de gas. Fuente: elaboración propia a partir de datos de MITECO, 2024 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 CO2 CH4 N2O HFC PFC SF6 kt CO2eq Tipo de gas Emisiones nacionales de GEI en 2022 - Residuos Depósito de residuos sólidos en vertederos Tratamiento biológico de residuos sólidos Incineración y quema en espacio abierto de residuos Tratamiento de aguas residuales Otros 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 CO2 CH4 N2O HFC PFC SF6 kt CO2eq Tipo de gas Emisiones nacionales de GEI en 2022 - Agricultura Fermentación entérica Gestión de estiércoles Cultivo de arroz Suelos agrícolas Quema en campo de residuos agrícolas Encalado o enmienda caliza Aplicación de urea 3 3 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Por tanto, examinando ambas gráficas podemos deducir que en estos sectores el gas que más se genera es el metano (CH4) y que las actividades que más lo emiten son: el depósito de residuos sólidos en vertederos, en el caso de los residuos; y la fermentación entérica y la gestión de estiércoles, en el sector agrícola. No obstante, este gas metano se aprovecha en la mayoría de los casos, por tanto, el proceso propuesto en este TFG pretende optimizar de manera industrial la generación de este gas para poder ser utilizado. Enfocándonos en el sector residuos, más del 80% de las emisiones en este sector provienen de los vertederos. La problemática respecto a las emisiones reside en que los restos orgánicos depositados se descomponen, liberando metano de manera incontrolada durante prolongados periodos de tiempo, que, si no se captura y se gestiona adecuadamente, aumenta las emisiones de gases de efecto invernadero, contaminando al medioambiente. 1.2 Residuos Si bien se han descrito las emisiones que se producen, se analizará, a continuación, los residuos responsables de dichas emisiones, focalizando el estudio a nivel provincial dado que el emplazamiento del trabajo es la provincia de Sevilla. Para contextualizar, discerniremos entre los distintos tipos de residuos existentes según su origen: domésticos y comerciales (también se conocen como municipales pese a que está más en desuso), radioactivos, hospitalarios, agrícolas o ganaderos, e industriales. Conforme al propósito de este TFG, nos fijaremos en los primeramente mencionados dado que, por lo general, no son peligrosos, conforman la mayoría de los residuos y cuentan con una forma eficiente de contabilización. Estos residuos, como su propio nombre indica, se dividen en residuos domésticos y residuos comerciales. Los residuos domésticos son los que se generan esencialmente en el hogar, fruto de las actividades cotidianas de las personas; o bien, si nos amparemos en la ley 22/2011, de 28-VII, de Residuos y Suelos Contaminados, art. 3: “residuo generado en los hogares como consecuencia de las actividades domésticas, así como los similares generados en servicios e industrias” (Ministerio de la Presidencia, Justicia y Relaciones con las Cortes, 2011). De la misma manera, los residuos comerciales son “generados por la actividad propia del comercio, al por mayor y al por menor, de los servicios de restauración y bares, de las oficinas y de los mercados, así como del resto del sector servicios.” (Ministerio de la Presidencia, Justicia y Relaciones con las Cortes, 2011). En cualquier caso, el contenido en materia orgánica de ambos es muy alto; así pues, este TFG se centra en la fracción orgánica de esos residuos. Atendiendo a los datos aportados de residuos municipales por la empresa de limpieza pública en Sevilla, LIPASAM, a partir del año 2020 fue cuando empezó a recogerse, por separado, la materia orgánica. Desde el año 2020 hasta el año 2023 (último año del que hay datos registrados), los contenedores destinados a recoger exclusivamente la fracción orgánica de residuos en la provincia aumentaron en 269 contenedores, pasando de 739 al principio, a 1035 en la actualidad (LIPASAM, 2025). Son unos contenedores de color marrón (ver Figura 5) que pretender complementar a los contenedores grises de residuos domésticos y comerciales (restos), de los cuales entre el 43 y el 48% constituían materia orgánica (ver Figura 4). En cuanto a estos últimos, los datos de residuos en el contenedor gris cifran la recogida de restos en 11.193 toneladas en 2023, así como 16.869 toneladas procedentes de las papeleras (LIPASAM, 2025). Con esta acción se pretende aumentar la recogida separada de la fracción orgánica de los residuos domésticos y comerciales (llamados biorresiduos según la ley 07/2002) en la ciudad de Sevilla, mejorar la gestión de esta fracción (proponiendo alternativas para su valorización) y, por tanto, disminuyendo la fracción de residuos que se depositan en los vertederos. Todo ello debe de ir acompañado de una campaña para concienciar a la población de este asunto. Tal y como se muestra en la Figura 6, el aumento de la materia orgánica recogida ha sido bastante importante, llegando a las 14.908 toneladas en 2024. Este aumento se debe, en parte, al mayor número de contenedores instalados y al ampliado uso por parte de la población de los mismos (LIPASAM, 2025). Introducción 4 Figura 4. Contenedor de restos en Sevilla. Fuente: fotografía tomada en C/Bartolomé de Medina, Sevilla. Figura 5. Contenedor de residuos orgánicos en Sevilla. Fuente: fotografía tomada en C/ Menéndez Pelayo, Sevilla. 5 5 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Figura 6. Recogida selectiva materia orgánica en Sevilla. Fuente: elaboración propia a partir de datos de LIPASAM, 2025 1.3 Jerarquía en gestión de residuos Llegados a este punto, parece claro que resulta ineludible una adecuada gestión de los residuos. De acuerdo con la Ley 7/2022 de residuos y suelos contaminados del 8 de abril, se establece una jerarquía en la gestión de los mismo. Lo que se pretende con esto es reducir la cantidad de biorresiduos que van a los vertederos; ya sea evitando que se lleguen a generar, o bien impulsando la recogida separada para su posterior valorización; cumpliendo así la jerarquía fijada en la Ley para la de gestión de residuos (ver Figura 7). Figura 7. Jerarquía gestión de residuos. Fuente: elaboración propia a partir de Repsol, 2025. En lo más alto de la pirámide invertida se muestra lo que se va a priorizar: la prevención y reducción. Nos referimos con Prevención a las medidas que se adoptan para evitar que el material se convierta en residuo; es decir, evitar en la medida de lo posible la producción de residuos. Mientras que con la prevención la finalidad era evitar esta producción, con la Reducción en origen se pretende minimizarla. Dentro de que es una obviedad que se generan residuos, es posible aminorarlos de distintas formas; ya sea sustituyendo por equipos más eficientes o mejorando el mantenimiento de estos, entre otras medidas. El siguiente escalón en esta jerarquía sería la Reutilización. Consiste en alargar la vida útil del producto, sin que haya llegado a ser residuo, acondicionándolo para poder volver a usarlo. No será necesario tratamiento. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 2020 2021 2022 2023 2024 Cantidad (t) Años Toneladas de materia orgánica recogidas desde 2020 hasta 2024 (contenedor marrón) Prevención y reducción en origen Reutilización Reciclado Valorización energética Eliminación Elección del emplazamiento de la planta de digestión anaerobia 12 Figura 9. Mapa ubicación plantas de tratamiento. Fuente: Google LLC., 2024 Con un total de 683.682 toneladas de residuos gestionados en el año 2021 empezamos con el CIT MontemartaCónica, localizado en Alcalá de Guadaira, que se encarga de la gestión de los residuos sólidos urbanos generados en Sevilla y su zona metropolitana. Cuenta con instalaciones de reciclaje, selección de envases, vertedero controlado y tratamiento de residuos como lixiviados, entre muchos otros (Abogarse, 2023). Situado en el término municipal de Alcalá del Río continuamos con el Complejo Medioambiental La Vega. Esta planta ofrece servicios de recogida selectiva (ver Figura 10), gestión, reciclaje, planta de tratamiento, área de fermentación o balsas de lixiviado, según lo indica su página web (Mancomunidad La Vega, 2014). En tercer lugar, el Complejo Medioambiental Mata Grande. Es importante señalar que esta es una de las infraestructuras de lo que sí sería el organismo encargado de la gestión de los residuos, el Consorcio de Medio Ambiente “Estepa-Sierra Sur”. Mata Grande es una instalación específica de la zona, que funciona como planta de tratamiento de residuos. Se dispone de: línea de basura no seleccionada, línea de recogida selectiva, línea de fangos de E.D.A.R. y otros residuos agrícolas, túneles de compostaje, parque de maduración, línea de afino y parque de almacenamiento (Consorcio de Medio Ambiente Estepa-Sierra Sur, 2024) En última instancia, la Mancomunidad Intermunicipal “Campiña 2000” se localiza en el municipio de Marchena. La Mancomunidad dispone de una planta de clasificación y compostaje de RSU, de un vertedero controlado, así como de una planta de tratamiento de lixiviados. Para ver lo que supone esta planta en cifras, la propia página web (www.campina2000.es) proporciona una serie de datos. En concreto, aporta información de fracción orgánica de los RSU que la Mancomunidad trató en el año 2019, en cada uno de los siete municipios que lleva (ver Tabla 1): Municipio Arahal Marchena Morón de la Fra. Lantejuela Osuna Paradas La Puebla de Cazalla Fracción orgánica (t) 8.743,65 8.674,62 11.913,13 1.502,38 7.903,38 3.463,59 4.317,97 Tabla 1. Toneladas de fracción orgánica tratada por "Campiña 2000" en 2019. Fuente: Mancomunidad de Municipios de la Comarca de la Campiña de Sevilla, 2020 En total, se trataron 46.518,72 toneladas de residuo orgánico en el año 2019, en dicha planta. Investigando en fuentes oficiales, la Junta de Andalucía, en particular la Consejería de Sostenibilidad y Medio Ambiente, a través de la Red de Información Ambiental de Andalucía, brinda un registro de la cantidad total de residuos municipales gestionados por planta y municipio, en 2022; los cuales se organizan en la Tabla 2. 13 13 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Titularidad de la planta Toneladas totales de residuos municipales recogidas Consorcio de Medio Ambiente “Estepa-Sierra Sur” 54.083,0 CEPSA-Mancomunidad de Servicios “La Vega” 143.954,2 ABORGASE-Mancomunidades de Los Alcores, Mancomunidad Guadalquivir y Mancomunidad Bajo Guadalquivir 798.238,5 URBASER-Mancomunidad Intermunicipal "Campiña 2.000" 60.135,9 Tabla 2. Toneladas de residuos municipales en Sevilla por planta de tratamiento, en 2022. Fuente: Descargas Radiam, 2023 Figura 10. Línea de entrada de selectiva (envases de plástico, bricks y latas). Fuente: Mancomunidad La Vega, 2017. 2.2 Fracción orgánica de los residuos domésticos y comerciales Hasta el momento se han reunido datos de residuos municipales (o domésticos y comerciales) con el objetivo de calcular cuanta cantidad de residuo tratará la planta de digestión anaerobia que se va a diseñar. Con todo, ya en el apartado 1.2. Residuos, se adelantaba que nos centraríamos en la fracción orgánica de los antedichos residuos; a fin de cuentas, lo que va a llegar a la planta de digestión anaerobia es residuo puramente orgánico. Entonces, el interrogante es: ¿cómo se puede saber qué parte del total es orgánico, teniendo en cuenta que no hay dato de eso? En el presente trabajo resolveremos esto mediante una aproximación. Haciendo referencia a lo especificado, nuevamente, en el apartado 1.2. Residuos, se estimará la proporción de materia orgánica que cada una de las cuatro plantas de tratamiento trasladará a la planta de digestión anaerobia para proceder a su valorización. Para empezar, se tendrá en cuenta que, en la ciudad de Sevilla, en el año 2022, se contabilizaron las siguientes Elección del emplazamiento de la planta de digestión anaerobia 14 cifras (LIPASAM, 2025): • 9.416 toneladas de residuos en el contenedor marrón, es decir, 9.416 toneladas de materia orgánica. • 331.517 toneladas de residuos municipales producidos. • 16.875 toneladas de residuos en papeleras. • 11.193 toneladas de residuos en el contenedor gris (de restos) De los dos últimos puntos, se supondrá que el 45% conforma la fracción orgánica, luego la fracción orgánica de los residuos recogidos en la capital hispalense estará integrada por: 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑢𝑑𝑜𝑠 𝑒𝑛 2022 = 0,45 ∙(11.193 +16.875)+ 9.416 Ecuación 1. Cálculo de fracción orgánica en la capital de Sevilla (2022) Como resultado se obtiene que se generaron 22.046,6 toneladas de residuos municipales orgánicos en la capital de Sevilla en ese año, lo que se conoce como FORM (Fracción Orgánica de los Residuos Municipales); si lo comparamos con el dato de los residuos municipales totales producidos, se concluye que únicamente el 6,65% de los residuos son orgánicos. Extrapolando este porcentaje a los datos de la Tabla 2, referidos a la totalidad de la provincia: Titularidad de la planta Toneladas de residuos orgánicos Consorcio de Medio Ambiente “Estepa-Sierra Sur” 3.515,40 CEPSA-Mancomunidad de Servicios “La Vega” 9.357,02 ABORGASE-Mancomunidades de Los Alcores, Mancomunidad Guadalquivir y Mancomunidad Bajo Guadalquivir 51.885,50 URBASER-Mancomunidad Intermunicipal "Campiña 2.000" 3.908,83 Tabla 3. Toneladas de residuos municipales orgánicos en Sevilla por planta de tratamiento, en 2022. Estas cantidades serán las que transfieran de cada planta de tratamiento a la instalación de digestión anaerobia, cuya ubicación se determinará ulteriormente. En conjunto, dicha instalación recibirá 68.666,75 toneladas de biomasa para valorizar, procedente de los residuos domésticos y comerciales de la provincia de Sevilla. 2.3 Análisis de la ubicación óptima Si retrocedemos al comienzo del punto 2 se citaba la relevancia de posicionar la planta de digestión anaerobia estratégicamente para garantizar el adecuado abastecimiento de los desechos derivados de las distintas plantas de residuos domésticos y comerciales vistas. Tras esto, se verán las industrias colindantes que también pueden suministrar residuos orgánicos a la planta de digestión, favoreciendo así la simbiosis industrial (concepto que se desarrollará en el apartado 2.4. Industrias cercanas y estimación de su producción de residuos orgánicos). Inicialmente, como muestra la Figuras 9, conocer la disposición de las cuatro plantas de tratamiento de residuos es esencial para cuadrar la colocación de nuestra planta de valorización energética. La finalidad es hallar un punto en donde la distancia que haya que recorrer para trasladar el material orgánico desde cada planta de 15 15 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla tratamiento hasta la planta de digestión sea igual o lo más parecida posible para cada una de las cuatro, con el propósito de no hacer que este camino sea más prolongado para unas plantas que otras. Así pues, se traza un radio de 55 km desde cada una de las tres plantas más alejadas, es decir, el Complejo Medioambiental de la Vega, el CIT Montemarta-Cónica y el Complejo Medioambiental Mata Grande. No así desde la Mancomunidad Intermunicipal Campiña 2000, dado que se encuentra a medio camino entre las dos últimas instalaciones nombradas; y de realizar también el trazado del radio desde dicho punto el cambio sería ínfimo (Ver Figura 11). Si nos fijamos otra vez en la Figura 11 se puede percibir como se forma una zona en la que convergen las tres zonas marcadas con circunferencia en rojo. En esa región es donde se situará la planta de digestión anaerobia. Ampliando esta zona (ver Figuras 12 y 13) se puede notar una franja completamente despejada y de posible acceso debido a que la instalación se asentaría próxima a la autovía A-4 y a carreteras interurbanas como la SE225 o la SE-226. Figura 11. Radios marcados desde cada planta. Fuente: Google Earth Elección del emplazamiento de la planta de digestión anaerobia 16 Figura 12. Zoom zona de convergencia de los radios. Fuente: Google LLC., 2024 Ahondando un poco más en lo planteado, el sector cuadrado en amarillo de la Figura 13 escenifica lo que podría ser el lugar donde se instauraría la planta de digestión anaerobia. Comparando con las áreas y perímetros que ocupan las otras plantas de tratamiento se comprueba que el área de 1,43 km2, especificada también en la figura, debería ser más que suficiente para albergar la instalación completa. Corresponde a una porción de tierra mayormente llana, ubicada a una distancia suficientemente segura del arroyo que transcurre próximo a esta y, como se comentaba anteriormente, cercana a posibles vías de transporte. Figura 13. Señalización área de posible colocación de la planta de digestión. Fuente: Google LLC., 2024 17 17 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Pese a que la zona recuadrada en amarilla representa un posible ejemplo de colocación de la planta, la demarcación de convergencia de los tres radios de 55 km es mucho más extensa y conlleva un área muy superior a la del sector señalado, por ello, son posibles muchas alternativas de emplazamiento de la planta en esta región. Figura 14. Demarcación planta de digestión sobre el cómputo global de la zona de estudio. Fuente: Google LLC., 2024 2.4 Industrias cercanas y estimación de su producción de residuos orgánicos España es una de las grandes potencias agroalimentarias del continente europeo, de hecho, las muchas industrias agroalimentarias existentes como las del aceite de oliva (sobre todo en Andalucía) o el porcino, así como la gran cabaña ganadera que posee el país, llevan a España a situarse como el tercer país de Europa con más potencial de generación de biogás, justo por detrás de Francia y Alemania (Puchades et al., 2025). Los residuos procedentes de la industria agroalimentaria representan una fuente de sustratos viable para el proceso de la digestión anaerobia (o para biometanización). El procesado de materias primas de origen animal y vegetal para la producción de alimentos genera una cantidad sustancial de residuos con elevada carga orgánica y potencial energético, susceptibles de ser aprovechados (Agencia Andaluza de la Energía, 2011). Dicho lo cual, la adición de este tipo de residuos a nuestra planta de digestión anaerobia tendría una repercusión muy positiva en la producción del biogás. A este respecto, desde hace ya algunos años el concepto de simbiosis industrial está cobrando un significado trascendental en el mundo empresarial. Gracias a esta estrategia enmarcada en el ámbito de la economía circular las empresas cooperan entre ellas creando una relación beneficiosa que promueve la sostenibilidad. Esta relación está basada en la utilización de los subproductos o residuos generados en una empresa como materia prima para otra, lo cual parece una solución bastante acertada a raíz de las numerosas normativas referidas al medio ambiente que van en aumento. Si nos remontamos a la Introducción del trabajo, al apartado 1.4. Medidas propuestas, ya se puntualizaba el hecho de que las nuevas legislaciones obligan a que cada empresa generadora de residuos sea responsable económicamente, ósea, pague por la gestión de sus residuos. Aplicando este concepto a nuestro TFG, si las empresas, como por ejemplo las industrias cárnicas o cualquier empresa que tenga un flujo de salida de origen biodegradable, llevase sus residuos a una planta de digestión anaerobia para generar un biogás, en vez de descargarlos en vertedero, estarían contribuyendo a valorizar energéticamente sus propios desechos. Esta medida influiría positivamente en la empresa debido a que lograría un sello o certificación que asegura su compromiso con el medio ambiente (ECO-circular). Adicionalmente, no sólo obtendría este distintivo, sino que, probablemente, le saldría más rentable económicamente llegar a un acuerdo con la planta de digestión que pagar Elección del emplazamiento de la planta de digestión anaerobia 18 por desperdiciar sus residuos. Bajo este paradigma se buscará la manera de cuantificar los residuos mencionados. Estableciendo un radio de 60 km desde la zona donde supuestamente se dispondría la planta (ver Figura 15), se estudiarán las industrias agroalimentarias existentes: se estimará sus producciones de desechos orgánicos con la finalidad de que sirvan para la planta de digestión (que pasaría a ser una planta de co-digestión al tratar residuos diferentes). Con un radio de 60 km es posible abarcar gran parte de la provincia de Sevilla sin que el transporte de los residuos a la planta suponga un problema logístico. La búsqueda de las industrias comprende aquellas empresas dedicadas a algunos de los sectores más notables en la provincia de Sevilla. Se considerarán empresas dedicadas a la aceituna y al aceite de oliva, así como las industrias cárnicas y empresas de frutas y verduras, como se verá a continuación. En este apartado se tratará de fundamentar como se ha implementado el cálculo de los restos que se forman en cada grupo. Figura 15. Radio 60 km (morado) desde punto de instalación de la planta. Fuente: Google LLC., 2024 2.4.1 Residuos de industria olivarera A) Preparación y tratamiento de aceitunas Comenzando con la industria olivarera, se han localizado hasta veinte empresas dedicadas a la preparación y tratamiento de aceitunas en el radio definido. Cuando se habla del procesamiento de las aceitunas se hallan, esencialmente, hojas y pequeñas ramas desprendidas al llevarse a cabo la limpieza de estas aceitunas, así como las defectuosas que no cumplen con los estándares de calidad impuestos, e incluso sus huesos en caso de que haya que deshuesarlas. Estos residuos puramente orgánicos se llevarán a la planta de digestión anaerobia. Se estimará primero cuánta fracción orgánica desechable se genera en total en estas empresas a lo largo de un año. Como en los apartados anteriores 2.1 y 2.2 se evaluaron las cantidades por año, en este apartado también se verán las toneladas de materia que se obtienen en un año. En el proyecto de investigación bajo el título: Valorización Energética de los Subproductos derivados del procesado de la Aceituna de Mesa: optimización de la biometanización conjunta con lodos de EDAR (VESA), realizado por investigadores de la Universidad de Cádiz junto con la empresa EMASESA se pone de manifiesto este hecho: “durante el procesado de la aceituna se produce una gran cantidad de subproductos orgánicos procedentes, sobre todo, de la operación de deshuesado de la aceituna, donde se genera el hueso con su pulpa interior acompañado de otros restos de distintos destríos de aceitunas fuera de especificaciones y una serie de subproductos de carácter orgánico derivados de su producción” (Olimerca, 2014). Dicho lo cual, atendiendo a los datos ofrecidos por la Consejería de Agricultura, Pesca, Agua y Desarrollo Rural (CAPADR) de la Junta de Andalucía, en la campaña 24/25 se estima que el aforo de producción de aceitunas en 19 19 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla la provincia de Sevilla (Junta de Andalucía, 2024) será de: • 750.000 toneladas de aceituna para almazara. • 280.000 toneladas de aceitunas de mesa. En este punto conviene aclarar que las aceitunas para almazara son aquellas que se usan exclusivamente para la producción de aceite de oliva, mientras que las aceitunas de mesa son las destinadas a consumo directo, por lo que a la hora de cuantificar se observará cierta diferenciación. En el primer caso sólo se aprovecha en torno al 20% del peso de la aceituna. Específicamente, y como a posteriori aparecerá, en Sevilla el rendimiento graso se establece en un 16,7 % (Junta de Andalucía, 2024), o lo que es lo mismo, de cada 100 kg de aceituna se generan 16,7 kg de aceite. Esto nos lleva a concluir que cerca del 75% del peso de la aceituna constituye un desecho: de 750.000 toneladas a nivel provincial, unas 625.000 toneladas son subproducto. Por contra, en el caso de las aceitunas de mesa, la fracción comercializable conforma, de media, el 75% de la producción; por lo que, de las 280.000 toneladas producidas en Sevilla, sólo estimaremos como residuo el 25%, es decir, 70.000 toneladas, en las que se incluyen aceitunas en mal estado o huesos. Para finalizar, debido a que con la demarcación del radio de 60 km se han alcanzado un 70% de las empresas de aceitunas de la provincia, multiplicaremos el total del subproducto por este porcentaje: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑜 = (625.000 +70.000)∙ 0.7 = 486.500 𝑡 Ecuación 2. Expresión para obtener las toneladas de residuo orgánico procedentes de la industria olivarera Empresas de aceitunas: Aceitunas sevillanas la reina del verdeo; Aceitunas Caloliva S.L.; Aceitunas La Prieta; Aceitunas Arahal; Aceitunas Mario García S.L.U – Los Dos; Garcioliva Aceitunas; Cobrega Brenes de la Vega (Fábrica de Aceitunas); Aceitunas Rodrybarco S.C; Aceitunas Brefer, SC; Aceitunas los Dos. Doña Aceituna – Aceitunas Sevillanas – Los Remedios; Aceitunas J.J.Galocha.; Aceitunas RUMARIN S.L.; Aceitunas Ramón Polo S.A.; Interoliva – Internacional Olivera S.A.; Olivar de Siurot; AGOLIVES – Aceitunas Guadalquivir S.L.; Aceitunas Losada S.L.; Industria Aceitunera Marciense, S.A; ANDAOLIVA S.L. B) Producción de aceite de oliva Estrechamente relacionada con el apartado anterior, la industria del aceite de oliva representa uno de los sectores más asentados de Sevilla. A la hora de analizar los residuos generados por esta industria hay que aclarar que no se tendrán en cuenta las tiendas de alimentación (dedicadas a vender aceite de oliva) dado que no se dedican a la producción de este. Por el contrario, las almazaras o las empresas de embotellado de aceite sí, aunque es necesario discernir entre ambas en cuanto a su generación de residuos. En lo que concierne a la almazara, se originan subproductos orgánicos como el alperujo, una mezcla de restos de aceituna y aceite, orujo, alpechín y agua, siendo el orujo una pasta que concentra la pulpa y el hueso de la aceituna, y el alpechín que es un líquido compuesto, en gran parte, por el agua usada para tratar las aceitunas (Ortega, 2018). Retomando el concepto de rendimiento graso, de las 750.000 toneladas de aceitunas en Sevilla se estima un aforo de producción de 125.000 toneladas de aceite de oliva (Junta de Andalucía, 2024). En vista de que el aceite de oliva se extrae de las aceitunas en la almazara, el dato de residuos agroindustriales evaluado en el subapartado 3.4.1. A con respecto a las aceitunas de almazara, que no las de mesa, sería análogo al que correspondería en este apartado; por consiguiente, sería un error volver a tenerlo en cuenta. No ocurre lo mismo con las empresas de embotellado, en las que, a pesar de tratar con aceite de oliva, al venir este ya elaborado, los desechos biodegradables que se originan son prácticamente nulos. A modo de resumen, en una empresa dedicada al embotellado surgirán muchos menos restos de origen orgánico que en una almazara, que es donde tiene lugar la extracción del propio aceite de oliva. Estos restos o desechos mínimos podrían asociarse al derrame del aceite durante el proceso de embotellado. Elección del emplazamiento de la planta de digestión anaerobia 20 Empresas de aceite: Aceites la Recovera. (embotellado); Aceites La Matilla. (embotellado); Aceites Ballestero S.I. (almazara); S.C.A. Olivarera La Campana. (cooperativa, almazara); Oleopalma Aceite de Oliva Virgen Extra. (almazara); Aceite O.V.E.E. Conde de la Monclova. (almazara); Oleoestepa S.C.A.; Aceite de Oliva Virgen Extra Ecológico Renacer. (almazara); Aceites Rosil S.L. (embotellado); La Española Olive Oil. (embotellado); La Vigía. (embotellado); AOVEs – Aceitera la María (embotellado); Aceites La Masía. (embotellado); Aceites San Jose (embotellado). 2.4.2 Residuos de carne La Agencia Andaluza de la Energía elaboró en el año 2011 un estudio en materia de biogás, del cual se ha rescatado el siguiente párrafo referido a los residuos de matadero: “Constituyen uno de los residuos con mayor potencial para la generación de biogás. Los restos de contenidos estomacales, intestinos, etc., así como los restos de depuración de los efluentes de este tipo de residuos, suponen un sustrato muy adecuado para la biometanización, aunque, generalmente, este aprovechamiento se realiza en co-digestión con otros residuos.” Pese a que no ha sido posible encontrar información fiable a cerca de los datos de producción de carne en la provincia de Sevilla, ni en la comunidad autónoma de Andalucía, se valorará conforme a los datos recogidos por la ANICE (Asociación Nacional de Industrias de la Carne de España), según la cual se produjeron un total de 7.425.953 toneladas de carne en 2023 en el país, dato que, a su vez, se obtuvo de la Encuesta de Sacrificio de Ganado del MAPA (Subdirección General de Producciones Ganaderas y Cinegéticas, 2024). La Tabla 4 recoge los datos necesarios para que sea posible estimar cuanto desperdicio se genera en las industrias cárnicas, un desperdicio que, de cara a las plantas de digestión anaerobia, supone la materia valorizable, como se ha visto antes. Tipo de Carne % de producción en España (2023) % de aprovechamiento del producto Porcino/Cerdo 65,00 85 Bovino/Vacuno 9,69 75 Ovino/Cordero 1,44 70 Caprino/Cabra 0,13 65 Avícola (en su mayoría pollo) 23,65 85 Tabla 4. Producción y rendimiento en canal de carne en España por tipología más común. Fuentes varias, principalmente ANICE, 2024 y Subdirección General de Producciones Ganaderas y Cinegéticas, 2024 Conviene resaltar que el “% de aprovechamiento del producto” es lo que se conoce como el rendimiento en canal, y hace referencia al cociente entre el peso de la parte consumible del animal una vez sacrificado y el peso del animal vivo, de modo que este rendimiento refleja la cantidad de carne que es apta para consumo y venta. Este rendimiento depende de varios factores como la edad o la alimentación del animal, sin embargo, se ha llevado a cabo una aproximación (ver Tabla 4). En este TFG se supondrá que en el total de la carne producida están incluidas partes del animal que no se emplean para consumo humano. Es decir, si bien no se contabilizan piezas del animal como pueden ser las pezuñas o el pelo (puesto que carecería de sentido asumir esto como carne producida), sí se considerará que dentro de dicho dato se cuenta con fragmentos o trazas que, aun siendo carne, son desechables y formarán el remanente a valorizar. Esto explica el motivo de por qué el porcentaje de aprovechamiento expuesto en la tabla 4 es tan elevado; concretamente, se ha sumado un 15% más de lo que realmente sería si se hubieran tenido en cuenta dichas partes del animal que no guardan relación con su carne. 21 21 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Por otro lado, retornando a la información concedida por la ANICE, 2024: “En España existen 3.481 empresas dedicadas al sector cárnico, que en 2023 produjeron 7.425.953 toneladas de carne”. Si dividimos el total de la producción entre el total de las empresas se obtiene como resultado que cada una generó 2.133 toneladas de carne en el año 2023. Estamos antes una estimación considerablemente ruda ya que se parte de la base de que todas las empresas cárnicas españolas cuentan con el mismo tamaño a nivel de producción; un hecho bastante alejado de la realidad. Pese a esto, se tratará de afinar más en el cálculo teniendo en consideración el tipo de carne con el que se trabaja más en cada una de las empresas incluidas en el radio de 60 km fijado. De manera general y haciendo alusión a la Tabla 4, para una industria estándar que produce 2.133 toneladas de carne al año se interpreta lo siguiente: Tipo de carne existente en la industria Toneladas de carne producida en la industria Toneladas de carne (residuo) que se desechan Porcino/Cerdo 1.386,45 207,97 Bovino/Vacuno 206,69 51,67 Ovino/Cordero 30,72 9,22 Caprino/Cabra 2,78 0,97 Avícola (en su mayoría pollo) 504,46 75,67 Tabla 5. Producción de desecho en una industria cárnica estándar por tipología de carne El cálculo para las toneladas de carne que se desechan ha sido: 𝑡𝑜𝑛. 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑛𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑎 = 𝑡𝑜𝑛. 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑛𝑒 ∙ % 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 ∙ (1 − % 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜) Ecuación 3. Expresión para el cálculo de remanente en la carne Finalmente, se obtienen 345,5 toneladas de remanente procedente de una industria cárnica estándar al año. Este dato podría ser válido para las empresas de procesado y conservación de carne, o incluso para los comercios al por mayor, no obstante, dentro de la zona seleccionada, hay empresas dedicadas sólo a un tipo concreto de carne. Así que se precisará un poco más el cálculo. Empresas cárnicas: San Luis – Vaquería; Paviso Alimentación S.L. - Envasador de carnes (procesado y conservación de carne); Cárnicas Los Alcores (comercio al por mayor); Matadero El Viso del Alcor; Matadero CAMPOREAL; Catilla Martín Industrias Cárnicas; Industrias Cárnicas García Baquero S.Coop. Andaluza Limitada; Industrias Cárnicas Al Ándalus. No se han tenido en cuenta carnicerías, sino industrias cárnicas y mataderos. Mientras que una carnicería es un comercio que se dedica a la venta al por menor, en los mataderos y en las industrias cárnicas es donde se efectúa la transformación y el tratamiento de la carne. Particularmente, las industrias o empresas cárnicas son las que distribuyen la carne y la hacen llegar a las carnicerías para su venta. De esta forma, nos preocuparemos por el recuento de mataderos e industrias cárnicas exclusivamente. Para culminar este apartado se debe apreciar que, de las ocho industrias localizadas, una se dedica sólo a la carne de vaca y otra exclusivamente a la de cerdo. Dicho lo cual, la expresión final que refleja las toneladas de residuo procedentes de la industria cárnica quedaría como: Digestión anaerobia 28 mediante las bacterias que designaremos como acetogénicas (Sáez, 2018). Metanogénesis Finalmente, llegamos a la última etapa del proceso en donde, partiendo de los compuestos anteriores, se procederá a la generación de metano. Se distinguen dos tipos de bacterias. Por un lado, las bacterias metanógenoacetoclásticas, las cuales producen metano y CO2 a partir de ácido acético; y por otro lado, las metanógenohidrogenotrofas, que generan metano y H2O por la degradación de H2 y CO2. (Estevan and Virginia, 2016) El primer caso expuesto es el principal método de formación de metano, suponiendo aproximadamente el 70% del metano en los digestores anaerobios. Figura 19. Esquema de degradación anaerobia por etapas. Fuente: Arnaiz, 2024 3.2 Parámetros influyentes en el proceso Existen determinas condiciones en el medio que afectan al desarrollo del proceso de la digestión anaerobia. Estas condiciones se refieren a factores físico-químicos y distinguiremos dos categorías distintas: parámetros operacionales y parámetros ambientales. Por una parte, nombraremos como operacionales a aquellos parámetros que admiten regulación, en otras palabras, se pueden controlar durante el proceso, actuando sobre los mismos si es necesario. Por el contrario, los parámetros ambientales dependen de las características propias del residuo orgánico, con lo cual, no pueden ser sometidos a control una vez que empieza el proceso. 3.2.1 Parámetros operacionales Temperatura Sin duda, la temperatura es un factor primordial en el proceso de digestión anaerobia ya que afecta al crecimiento 29 29 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla de las bacterias encargadas de descomponer el sustrato. Debido a este parámetro se ven influenciadas otras variables como: la velocidad de las reacciones químicas del proceso de digestión, de modo que, a mayor temperatura, mayor velocidad de degradación de la materia; la producción de biogás, la cual a determinada temperatura logra su máximo (Varnero, 2011); la estabilidad del proceso, o la calidad del biogás. Se clasifican, por consiguiente, tres rangos de temperatura diferentes en los que opera el digestor o reactor anaerobio. - Psicrófilo (0-25ºC): a estas temperaturas la actividad microbiana es muy baja (Sáez, 2018), lo que ralentiza la digestión y, por tanto, se requiere más tiempo para la descomposición de la materia orgánica. En consecuencia, el volumen de biogás generado es menor. - Mesófilo (25-45ºC): corresponde al rango de temperatura más utilizado en el que trabajan los digestores de las plantas (Reyes, 2017), siendo óptima (para la producción del biogás) las temperaturas comprendidas entre 33 y 38ºC aproximadamente (Estevan and Virginia, 2016). Se mantiene un equilibrio estable entre las diferentes fases de la digestión y se obtiene un biogás con mayor contenido en metano respecto al caso anterior. - Termófilo (45-65ºC): con un óptimo productivo en torno a los 60ºC, a estas temperaturas la tasa de degradación es más rápida y el rendimiento del biogás es el más alto ya que se incrementa la producción de este. Sumado a esto, otra ventaja es la purificación del residuo debido a que, a temperaturas así de elevadas, se favorece la eliminación de ciertas bacterias patógenas. Sería lógico preguntarse ¿por qué emplear temperaturas mesófilas es lo más habitual si se supone que es preferible un rango termófilo por los beneficios que ofrece? Pese a que aparentemente operar en este rango es la elección más rentable, en la práctica no tiene por qué ser lo más conveniente: provoca un mayor gasto energético en el proceso, desencadena problemas de estabilidad a causa de la toxicidad de algunos elementos como el nitrógeno a altas temperaturas (Reyes, 2017) y el equipamiento (las tuberías, las válvulas o los equipos) es más caro si tiene que soportar dichas temperaturas. Por ello, la mayoría de los digestores anaerobios trabajan en el rango mesófilo. Agitación El grado de agitación de la materia orgánica en el digestor anaerobio conlleva una serie de ventajas. Para empezar, ayuda a distribuir la temperatura de forma uniforme por todo el volumen del reactor (Varnero, 2011), evitando que se creen zonas frías y, por tanto, inactivas. Además, proporciona una homogeneidad necesaria entre el sustrato (materia orgánica) y las bacterias, de tal manera que estas últimas tengan contacto constante con el sustrato, al estar suficientemente repartidas y puedan alimentarse favoreciendo la descomposición (Estevan and Virginia, 2016). Por último, si no hubiese agitación los elementos sólidos podrían formar una capa flotante, o bien aglomerarse en el fondo del reactor llegando a formar sedimento. Con la agitación se previene la constitución de espumas o costras (Sánchez, 2016). Pero ¿cómo se lleva a cabo esta agitación? Pues bien, contamos con tres agrupaciones de sistemas de agitación: sistemas de agitación mecánicos, sistemas de agitación hidráulicos y sistemas de agitación por gas. Referente a los últimos, estos aprovechan el propio gas originado en el proceso de digestión anaerobia, de tal manera que el gas se reinyecta en el digestor mediante unas tuberías o lanzas para mezclar el contenido de dentro. Sobre los sistemas mecánicos, basan su funcionamiento en elementos físicos como hélices que, colocadas dentro del digestor, mezclan la materia orgánica contenida en él. Por último, los sistemas hidráulicos, los cuales utilizan el líquido del interior del digestor para generar movimiento mediante una bomba. (Morales, 2005) Tiempo de retención hidráulico (TRH) Definimos el tiempo de retención hidráulico como el tiempo promedio que un sustrato permanece dentro del digestor, permitiendo el desarrollo de la población bacteriana y, por ende, el proceso de producción de biogás. Se expresa en horas o días de manera habitual. Digestión anaerobia 30 𝑇𝑅𝐻 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟 Ecuación 4. Expresión matemática del TRH Según la Ecuación 4 llegamos a las siguientes conclusiones: - Un TRH corto equivale a un volumen de digestor pequeño (para un caudal constante), es decir, no se necesita invertir dinero en un reactor anaerobio de grandes dimensiones, lo cual abarata los costes; pero, por contra, si el sustrato reside poco tiempo en el digestor podría ocasionar insuficiencia en la degradación de la materia, causando que se quede materia sin degradar y que esto afecte a la producción del biogás. - Si el TRH es largo, al llevarse el sustrato más tiempo en el digestor, le da tiempo suficiente a descomponerse (se consigue una mejor digestión), lo que beneficia en la calidad y generación del biogás; aunque esto significaría la necesidad de un reactor anaerobio de mayor tamaño y, por consiguiente; más caro. Como se ha visto, un tiempo de retención muy corto implica una digestión incompleta, perjudicando así al biogás; de hecho, existe un tiempo de retención hidráulico mínimo por debajo del cual no hay actividad en el reactor. Sin embargo, si este tiempo se extiende demasiado, la producción específica de metano comenzaría de disminuir. Lo que se pretende es el lograr un TRH óptimo, y esto depende del tipo de sustrato (su biodegradabilidad), la temperatura y el tipo de digestor (Estevan and Virginia, 2016). Como apuntaba García and Gómez (2016): “Este tiempo de retención está directamente relacionado con la temperatura que se de en el proceso, varios autores han demostrado que a mayor temperatura se logran menores tiempos de retención, pero cuando esta es baja el tiempo de retención será más largo”. De manera general y de acuerdo con los rangos de temperaturas establecidos (primer parámetro operacional detallado), para una digestión psicrófila (a temperaturas inferiores a 25ºC) se plantea un tiempo de retención hidráulico óptimo de entre 40 y 60 días; si nos vamos a una digestión mesófila (se alcanzan los 45ºC) el TRH baja a unos 20 o 35 días, y si la digestión es termófila el TRH óptimo se fijará para menos de 15 días, concretamente 12 – 14 días (García and Gómez, 2016). Estos días son aproximaciones tomando en consideración la rapidez con la que se descompone la materia en función de la temperatura. Velocidad de carga orgánica (VCO) La carga orgánica es la cantidad de alimento orgánico introducido en el reactor anaerobio: 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 = 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 Ecuación 5. Expresión de la carga orgánica Asimismo, la VCO es la cantidad de carga orgánica que entra en el reactor (o carga orgánica de alimentación), por unidad de volumen y, al ser velocidad, también de tiempo (normalmente, el tiempo se expresa en días). 𝑉𝐶𝑂 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 = 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ∙ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 Ecuación 6. Expresión de la velocidad de carga orgánica Por este motivo, es posible referirse a este concepto de maneras distintas, o sea, por medio de estas formas: kg 31 31 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla DQO/m3 día; kg ST/m3 día; kg SVT/m3 día. Siendo DQO: demanda química de oxígeno, ST: sólidos totales y SVT: sólidos volátiles totales. Una vez visto el significado, la transcendencia que tiene la velocidad de carga orgánica a partir de la Ecuación 6 es la siguiente: - Un valor bajo de VCO comporta una baja cantidad de sustrato que llega al reactor (baja el numerador). También puede significar un tiempo de retención hidráulico alto (aumenta el denominador). - En cambio, un valor alto de VCO implica un aumento de los kg de materia orgánica (aumenta el numerador), pero puede denotar un TRH bajo (baja el denominador) y, con ello, disminución de la producción de biogás (Estevan and Virginia, 2016). 3.2.2 Parámetros ambientales pH El pH es un indicador del grado de acidez o alcalinidad, basándose en la concentración de iones hidrógeno (H+) o iones hidroxilo (OH-) correspondientemente, de una solución. Se refleja mediante una escala del 0 al 14, en donde un pH<7 representa una solución ácida, un pH = 7 implica neutralidad (como en el caso del agua pura) y un pH > 7 se refiere al concepto de alcalinidad, la solución será básica o alcalina. Bajo el contexto del trabajo, se trata de un parámetro fundamental a la hora de ver cómo evoluciona el proceso de digestión anaerobia y mantiene su estabilidad puesto que el pH influye en el comportamiento de microorganismo y enzimas. Los niveles de pH óptimos de los distintos grupos de bacterias deben estar en torno a la neutralidad (Reyes, 2017). Esto es necesario para un correcto desarrollo de los microorganismos. Pese a que se admite cierta oscilación en lo que respecta al valor del pH, si este bajase de 5 o subiese de 8 muy probablemente ocasionaría problemas de inhibición de la actividad. Cuando se habla de neutralidad en el pH nos atenemos a unos valores comprendidos entre 6,5 y 7,5 (Arhoun et al., 2017). Cada población bacteriana de las vistas con anterioridad se desarrolla con más facilidad alrededor de unos valores de pH determinados. Tipo de bacteria Rango valores de pH Hidrolíticas fermentativas 5,5 - 6,5 Acidogénicas 5,5 - 6,5 Acetogénicas 6 - 7 Metanogénicas 6,8 – 7,3 (en torno a 7) Tabla 9. pH en función del tipo de bacteria. Fuente: Morales, 2005; Arhoun et al., 2017 Como se puede observar en la Tabla 9, la actividad hidrolizante se ve favorecida con sistemas a pH inferiores a 6,5. Por el contrario, si nos fijamos en los organismos metanogénicos, que presentan una cinética de crecimiento lenta así como sensibilidad a cambios bruscos de temperatura y pH (justo al revés que las bacterias hidrolíticas fermentativas), su actividad se ve favorecida a pH cercano a 7, siendo el óptimo de 7,2 (González and Navarrete, 2014). Cabe destacar que, en la digestión anaerobia, la formación de ácidos tiende a bajar el pH, mientras que la formación de metano produce alcalinidad en forma de dióxido de carbono y amoniaco, aumentando el valor del pH. Digestión anaerobia 32 Dicho lo cual, la digestión anaerobia funciona como un sistema tamponado (o buffer), lo que denota que cuando se añade al sistema un ácido o una base, este reacciona para neutralizar el cambio y conseguir que el pH se mantenga estable. Aludiendo a lo ya explicado en el párrafo anterior, los ácidos bajan el pH, por lo que van a ser de vital importancia compuestos como el bicarbonato (HCO3), que tienen efecto buffer e inducen que el propio proceso (de digestión anaerobia) tenga capacidad de autorregular las diferencias de pH que se crean a la entrada del sustrato en el digestor o en aquellas fases del proceso en las que hay mayor concentración de ácidos y es necesario evitar la acidificación en el digestor (Reyes, 2017; Morales, 2005). Tóxicos e inhibidores La presencia de sustancias tóxicas en el reactor anaerobio restringe (o inhibe) el proceso de digestión anaerobia. Estos compuestos tóxicos van desde metales pesados hasta sulfuros, pasando por fenoles, insecticidas, cianuros, amoniaco, ácidos grasos volátiles o compuestos halogenados (Sáez, 2018). A concentraciones suficientemente altas las nombradas sustancias pueden hacer posible que se detenga la producción del biogás. No obstante, se han descubierto diferentes vías de aminorar la acumulación de los tóxicos en el digestor anaerobio como la dilución de estos con agua o con otro fluido del digestor que favorezca el proceso; otra manera es añadiendo alguna sustancia que se haya comprobado que minimice el efecto dañino del tóxico, es decir, que forme un precipitado de modo que baje o anule la toxicidad y no perjudique la digestión anaerobia (González and Navarrete, 2014). Humedad Hablar de humedad no es más que referirse al contenido en agua que tiene la materia que introduciremos en el digestor. Este parámetro tiene una alta influencia en nuestro proceso porque su alto porcentaje facilita la digestión anaerobia por varios motivos entre los que destaca la agilización del transporte de microorganismos o la reducción de la posibilidad de que se formen zonas sin actividad (zonas secas). Sin embargo, un exceso de agua podría ocasionar una dilución del sustrato demasiado elevada, siendo esto contraproducente al imposibilitar la correcta degradación del sustrato. Se ha estudiado que una humedad entre el 60 y el 80% acarrea las mayores tasas de metano en el proceso (Arhoun et al., 2017). 33 4 PRETRATAMIENTO l pretratamiento constituye la etapa inicial del proceso industrial. Primeramente, y antes de adentramos en el estudio de los distintas partes de la planta, es esencial conocer el recorrido que sigue la biomasa en su interior. Siguiendo el esquema de la Figura 20, en un primer momento la materia llega transportada por camiones a una zona de recepción y, de inmediato, se realiza un pretratamiento consistente en la separación de voluminosos, un triturador y un trómel (para separar plásticos y otros impropios). Una vez lograda una mezcla casi orgánica en su totalidad se lleva a cabo la adición de agua para conseguir una solución que, mediante agitación, permita desechar los inertes ligeros. Ahora sí, con un sustrato puramente orgánico se lleva a los digestores anaerobios donde se producirá biogás. Este último se homogeneizará y almacenará en un tanque denominado: gasómetro. Por otro lado, se realiza una deshidratación en la que se preparan los lodos generados en el proceso para su transformación en compost. Es oportuno aclarar que en el trascurso del proceso existen multitud de elementos auxiliares como bombas, calderas o compresores. (Ministerio para la Transición Ecológica y Reto Demográfico, 2025) Figura 20. Esquema general proceso de digestión anaerobia. Fuente: elaboración propia basada en Ronda, 2024 En ocasiones, llegan residuos a la planta que no son acordes para tratar, entonces es indispensable limpiar la materia antes de introducirla a los digestores anaerobios. Sumado a esto, en función del tipo de residuo que se va a valorizar en la planta de digestión, la instauración de una etapa previa de pretratamiento puede resultar fructuoso para la producción de biogás ya que está comprobado que aumenta la capacidad de biodegradabilidad y, con ello, potencia el rendimiento del biogás producido. E Pretratamiento 34 Figura 21. Potencial biometanización con y sin pretratamiento de diversos sustratos. SPA: Residuos animales. Fuente: Agencia Andaluza de la Energía, 2011. Existen hasta cinco tipos diferentes de pretratamientos: mecánico o físico, térmico, biológico, químico y termoquímico. Cada uno de ello se aplicará a un tipo de residuo diferente según sea necesario. Físico o mecánico El objetivo de este pretratamiento es facilitar la degradación de la materia mediante la reducción del tamaño de las partículas (Varnero, 2011). Para ello se recurre a la molienda o trituración, a la extrusión y a la desintegración mecánica (ultrasonidos). Con respecto a este último, el ultrasonido, se concibe como el método más común de pretratamiento para los residuos ganaderos debido a su efectividad estabilizando el proceso (Agencia Andaluza de la Energía, 2011). En su caso, la trituración es generalmente adoptada para pretratar residuos hortofrutícolas. Químico Se hace uso de sustancias químicas para alterar la composición de algunas sustancias, o bien para romper aquellos enlaces que muestran resistencia a la degradación. Este tipo de pretratamiento, junto con el físico (pretratamiento fisico-químico), se muestra beneficioso principalmente para residuos ganaderos (purines, estiércoles) en su fase hidrolítica ya que reduce el tamaño de las partículas (Agencia Andaluza de la Energía, 2011). Térmico Sin duda, es el tipo de pretratamiento más usado para los residuos orgánicos cárnicos, de mataderos (Palatsi et al., 2010). Esta clase de residuos necesitan de una pasteurización o higienización previa a su inserción en el digestor, y se constata que el residuo de matadero previamente tratado es capaz de aumentar de manera cuantiosa su producción de metano (ver Figura 22). La pasteurización se trata de un calentamiento a 70ºC y está orientada a la eliminación de los patógenos presentes en los residuos orgánicos de origen animal o RSU. 35 35 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Figura 22. Comparación pretratamiento en residuos animales conforme a la producción de metano. Fuente: Agencia Andaluza de la Energía, 2011 Biológico Un ejemplo claro del pretratamiento biológico es el compostaje maduro controlado, que genera enzimas que rompen estructuras complejas. Su uso es común en residuos hortofrutícolas y, básicamente, en residuos agroalimentarios. Pretratamiento de la FORSU/FORM Según consta en el estudio elaborado por la Agencia Andaluza de la Energía (2011): “la teórica fracción orgánica obtenida, como producto pasante por la criba citada, realmente contiene entre un 25 y 40 % de elementos no apropiados para la biometanización. Estos elementos “impropios”, no solo son imposible o difícilmente biodegradables, sino que entorpecen el funcionamiento general de la instalación produciendo atascos, decantaciones no controladas de arenas, vidrios y otros áridos, así como segregación de capas de elementos flotantes no deseados reduciendo la capacidad efectiva de la biometanización.” Ante esta situación parece imprescindible un pretratamiento mecánico de separación (“depackaging”), después del cribado donde se eliminan los desechos voluminosos no biodegradables, para conseguir un proceso de digestión anaerobia eficiente. Seguidamente, tocaría acondicionar los residuos antes de su entrada en el reactor, estabilizándolos, es decir, reducción su tamaño y homogeneizándolos. Con base en la página del Gobierno de España (MITECO, 2025), una posibilidad sería la separación y acondicionamiento con tambores de pretratamiento. Lo que finalmente queda es una suspensión homogénea que volverá a ser cribada por segunda vez antes de llegar al digestor. 36 5 DIGESTORES n elemento crucial de cara a desarrollar el proceso de digestión anaerobia es el digestor o reactor anaerobio como ya se ha aclarado en puntos anteriores. Consiste en una estructura diseñada para proporcionar las condiciones convenientes a los microorganismos actuantes durante su trascurso en el proceso de digestión; por lo que su correcto modelado y elección será determinante a la hora de juzgar la eficiencia del proceso. 5.1 Clasificación de los digestores anaerobios El mercado ofrece una amplia variedad de digestores para satisfacer los diferentes residuos, niveles de operación u objetivos de aprovechamiento energético que se pueden dar en este tipo de proceso. Estos se pueden categorizar atendiendo a distintos criterios. No obstante, se encuadran dos tipologías en este TFG. Se distinguen dos grupos principales atendiendo a su disposición de sistemas de retención de biomasa o carencia de estos (González and Navarrete, 2014). Comenzando con los que no cuentan con sistema de retención de biomasa, se clasifican, a su vez, en tres tipos. En lo que respecta a los reactores con retención de biomasa se estudiarán cuatro tipos (ver Tabla 10). Según sistemas de retención de biomasa Sin retención de biomasa De mezcla completa: con o sin recirculación De flujo pistón Discontinuo Con retención de biomasa De lecho fijo Filtro anaerobio De lecho fluidizado De lecho de lodo granulado Tabla 10. Clasificación reactores anaerobios según disposición de retención de biomasa 5.1.1 Digestores sin retención de biomasa De mezcla completa sin recirculación: constituye el tipo de reactor más empleado para residuos. Se podría sintetizar describiendo este sistema como un digestor con un mecanismo de agitación (ver apartado 3.2.1. Parámetros operacionales. Agitación). Esta agitación tiene la función de mantener una repartición equitativa del sustrato y los microorganismos en todo el volumen del digestor (IDAE, 2007). De mezcla completa con recirculación: este digestor es análogo a un sistema de fangos activos para el tratamiento de aguas residuales, en el que sólo pueden intervenir efluentes líquidos de alta carga orgánica. Presenta una recirculación gracias a la cual se consiguen tiempos de retención hidráulica menores que en un reactor simple de mezcla completa (García and Gómez, 2016). Consta de un decantador donde se lleva a cabo la separación de microorganismos, además de un desgasificador precisado para el proceso de decantación (ver Figura 23.b). U 37 37 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Figura 23. Esquemas digestores de mezcla completa. Fuente: IDAE, 2007 De flujo pistón: se trata de un reactor de flujo horizontal. Haciendo, una vez más, referencia al artículo del IDAE (2007): “Este tipo de reactor ha sido aplicado a diferentes tipos de residuos orgánicos, como fracción orgánica de residuos municipales (configuración vertical y flujo ascendente), residuos de porcino y bovino, y una de las dificultades es la debida a la falta de homogeneización en la sección transversal a la dirección del flujo, en las configuraciones horizontales, lo cual se puede evitar mediante un sistema de agitación transversal (reintroducción de biogás a presión en la base del digestor si el reactor es horizontal, por ejemplo)”. Asimismo, los tiempos de retención hidráulica son inferiores que en los reactores de mezcla completa; esto es debido a que la cinética de crecimiento de los microorganismos es mayor a la entrada del reactor que a la salida de este. En su contra cabe señalar que presenta problemas de homogeneidad vertical, por lo que frecuentemente cuentan con sistemas de agitación (Agencia Andaluza de la Energía, 2011). Discontinuo (o batch): en el caso de los sistemas discontinuos, la evolución de la producción del biogás es equivalente al crecimiento de los microorganismos en lo que a curvas temporales respecta; esta curva consta de tres fases: de lactancia o lag, exponencial y estacionaria. De la misma manera, se aplica el concepto de “tiempo de digestión” en lugar de “tiempo de retención” como se ha usado anteriormente, ya que carecería de sentido. Añadido a esto, los reactores discontinuos disponen de una productividad más baja que los ya vistos, razón por la cual es preciso operar distintos reactores de este tipo de forma escalonada, con ciclos de carga desfasados temporalmente para asegurar una producción de biogás lo más seguida posible (IDAE, 2007). Por último, hay que subrayar que este es un sistema “cerrado” en el que se carga una cantidad determinada de sustrato inicialmente y no se realiza ninguna alimentación adicional ni extracción de digestato durante el proceso. En otras palabras, no hay intervención externa en el ciclo de digestión; no es hasta el final del ciclo que se descarga por completo el contenido del reactor y se procede a cargar material nuevamente (Varnero, 2011). Figura 24. Esquema digestores de flujo pistón y discontinuo. Fuente: IDAE, 2007 Digestores 44 Tipo de residuo orgánico Producción disponible (toneladas) % de mezcla FORM 68.666,75 60,00 Industria cárnica 2.926,2 2,56 Industria olivarera 21.425.80 18,72 Industria hortofrutícola 21.425,80 18,72 Tabla 15. Porcentaje de mezcla de cada tipo de residuo Tipo de residuo orgánico Densidad media (kg/m3) % de mezcla FORM 600 60,00 Industria cárnica 950 2,56 Industria olivarera 700 18,72 Industria hortofrutícola 300 18,72 Tabla 16. Densidad media por tipo de residuo. Fuente: MITECO, 2025; Ortega, 2018 entre otras 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 = (600 ∙60,00)+(950 ∙ 2,56)+(700 ∙18,72)+(300 ∙18,72) 100 Ecuación 9. Densidad promedia de los residuos orgánicos Se adquiere, finalmente, una densidad de 571,52 kg/m3. Retomando el apartado anterior 5.2. Número de digestores y TRH, ya es posible valorar el número de reactores anaerobios que se asentarán en la planta: 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = 14,03 𝑡 1 ℎ ∙1000 𝑘𝑔 1𝑡 ∙1 𝑚3 571,52 𝑘𝑔 ∙1 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟 2474 𝑚3∙504 ℎ = 𝟓 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒔𝒕𝒐𝒓𝒆𝒔 De nuevo, este resultado, junto con los obtenidos en este punto del trabajo, validan el escenario propuesto de crear una planta de digestión anaerobia en tanto que los órdenes de magnitud obtenidos son congruentes comparados con los de casos de plantas de digestión reales en España. 45 6 RENDIMIENTO DE BIOGÁS a producción de biogás es un factor crucial para la eficiencia y la viabilidad de una planta de digestión anaerobia. Asimismo, analizar el rendimiento del biogás permite identificar oportunidades de optimización energética. Al igual que en el caso de la densidad (ver punto anterior), es preciso tomar en consideración individualmente cada una de las clases de residuo que participan en la co-digestión, con el propósito de medir el rendimiento global del biogás obtenido en la planta de la manera más exacta posible. Tipo de residuo % de producción Nm3 de CH4/tonelada de residuo Nm3 de biogás/tonelada de residuo (60% CH4) Sustrato de cerdo 65,00 270,00 450,00 Sustrato de vaca 9,69 195,00 325,00 Sustrato de cabra 0,13 166,80 278,00 Sustrato de pollo 23,65 300,00 500,00 Sustrato de oveja 1,44 165,60 276,00 Media residuos cárnicos ponderada - 267,95 446,58 FORM/FORSU - 107,28 178,80 Frutas (incluyendo cítricos) y hortalizas - 196,26 327,10 Alperujo - 253,22 422,03 Tabla 17. Producción de biogás por tipo de residuo orgánico. Fuentes: Agencia Andaluza de la Energía, 2011; Agrawal et al., 2022; Cu et al., 2015; Sedigas, 2023 La Tabla 17 expone el rendimiento de biogás de cada uno de los sustratos que entran al digestor anaerobio. Precisando en la cantidad de metano (CH4) concentrado que posee el gas, como valor medio, se ha escogido un 60% puesto que, volviendo a lo señalado en el punto 3 del trabajo, el porcentaje de metano en dicho gas se sitúa entre el 50 y el 70%. Adicionalmente, se refuerza esta aproximación visto que los valores empíricos registrados para alguno de los residuos de la tabla rondan este valor y llevan a concluir que un 60% de metano como media es una cifra bastante acertada y fundamentada. A modo de ejemplo, la empresa Naturgy sustenta que la FORSU tiene un 65% de CH4 (Naturgy, 2016). A fin de evaluar el rendimiento general del digestor es esencial considerar la proporción de cada tipo de residuo presente en el reactor anaerobio. Por ello, se supondrá una fracción para cada grupo de sustrato de la Tabla 18, que podrá ir variando a lo largo del año. El objetivo para el TFG será mantener constante el rendimiento medio calculado, en tanto sea factible, teniendo en consideración las variaciones o desajusten que se puedan originar a lo largo del año en cuanto a la disponibilidad de los recursos se refiere. En base al porcentaje de producción disponible de cada categoría de residuo (ver Tabla 8, en apartado 2.4.5. L Rendimiento de biogás 46 Toneladas finales de residuo orgánico valorizable procedente de las industrias cercanas evaluadas) se establece que, en promedio, por cada carga, se introducirá al digestor: un 60,00% de FORM, un 2,56% de residuos cárnicos, un 18,72% de residuos hortofrutícolas y otro 18,72% de residuos de industria olivarera. De acuerdo con la ecuación 10, el rendimiento de la planta de digestión anaerobia sería 258,95 Nm3 de biogás/ tonelada de residuo, y teniendo en cuenta un caudal de tratamiento de 114.444,58 toneladas de residuos anuales, equivaldría a cerca de 30 millones de Nm de biogás al año. 𝜂 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 = (178,80 ∙60,00)+(446,58 ∙ 2,56)+(327,10 ∙18,72)+(422,03 ∙18,72) 100 Ecuación 10. Expresión del rendimiento de biogás promedio Como se ha referido en líneas anteriores, estos valores se apoyan en el porcentaje de generación de cada clase de residuo orgánico. De ahí que, siendo consecuentes con los datos recogidos en la Tabla 8 (y reiterados en la Tabla 16), no tendría lógica incorporar a nuestra planta de digestión una elevada fracción de los residuos menos generados puesto que eventualmente se agotarían, dejando la alimentación del digestor exclusivamente en función de los sustratos más abundantes. Esto afectaría negativamente a la co-digestión de la planta. Por este motivo, al haber muy poca cantidad de residuos de matadero comparado con, por ejemplo, la fracción orgánica de residuos municipales, lo propicio es definir una participación escasa para estos residuos (cárnicos). Si bien la fruta y la carne tienen una producción relativamente estable a lo largo del año, la industria olivarera no. En Sevilla, la temporada de la aceituna va desde finales de septiembre hasta febrero y, aunque el mercado produzca aceitunas durante todo el año, los meses en lo que esta no se recoge supondrán un decrecimiento del nivel de generación de sus residuos. Jugando con la estacionalidad en los subproductos de la industria olivarera se ha construido la siguiente tabla: % FORSU Cárnicos Hortofrutícola Alperujo Enero 60,00 2,56 6.64 28,08 Febrero 60,00 2,56 6,64 28,08 Marzo 60,00 2,56 30,80 9,36 Abril 60,00 2,56 30,80 9,36 Mayo 60,00 2,56 30,80 9,36 Junio 60,00 2,56 30,80 9,36 Julio 60,00 2,56 30,80 9,36 Agosto 60,00 2,56 30,80 9,36 Septiembre 60,00 2,56 6,64 28,08 Octubre 60,00 2,56 6,64 28,08 Noviembre 60,00 2,56 6,64 28,08 Diciembre 60,00 2,56 6,64 28,08 Tabla 18. Fraccionamiento del sustrato en el digestor anaerobio por tipo de residuo 47 47 Diseño de una planta de digestión anaerobia para la valorización de la fracción orgánica de los Residuos Domésticos y Comerciales de Sevilla Tal y como es posible apreciar en la Tabla 18, esta se ha elaborado basándonos en los meses coincidentes con la campaña de la aceituna, de tal forma que la mitad de año que se recoge este fruto del olivo contará con una contribución mayor de alperujo (principal residuo olivarero) al sustrato del digestor. En concreto, si el porcentaje de este residuo es, de media, del 18,72% se ha estipulado que la mitad (un medio) de este valor será la fracción correspondiente a los meses fuera de campaña, mientras que los tres medios del mismo (es decir, un 28,08%) será la fracción aplicable durante los meses de campaña. Por otro lado, al ser probablemente la producción más estable, a la vez que la que ofrece mayor rendimiento de biogás por su alto contenido en proteínas, se ha decidido que los residuos procedentes de industria cárnica permanezcan constantes a pesar de las variaciones sucedidas. Del mismo modo, esta vez con un rendimiento de biogás mucho menor, pero con una producción muy estable, se impone que la FORSU también permanecerá invariante a lo largo de los meses. En vista del escenario presentado, quedan los subproductos de origen vegetal como la única alternativa a modificación. La materia de origen vegetal (frutas y hortalizas) cuenta con un rendimiento bastante alto (si se compara con la FORSU), aunque inferior al rendimiento que se obtiene con los residuos de industria olivarera. Por consiguiente, cuando haya mayor fracción de alperujo habrá que reducir la proporción hortofrutícola (se definirá como Caso 1) para contrarrestar y que sea posible mantener un rendimiento constante. En cambio, para los meses con menor inserción de alperujo, se compensará con un aumento de fracción hortofrutícola (Caso 2). La clave de este cálculo es sostener un valor de rendimiento de biogás invariable durante todos los meses del año (ver Ecuación 10). Esto se consigue por medio de las operaciones que se mostrarán posteriormente y que se han trasladado a la Tabla 18. (178,80 ×60,00)+(446,58 ∙ 2,56)+(327,10 ∙ 𝐹1%)+ (422,03 ∙28,08) 100 =258,95 Ecuación 11. Expresión para obtener F1. F1: Porcentaje de residuos hortofrutícolas en el Caso 1 (178,80 ∙60,00)+(446,58 ∙ 2,56)+(327,10 ∙ 𝐹2%)+ (422,03 ∙ 9,36) 100 =258,95 Ecuación 12. Expresión para obtener F2. F2: Porcentaje de residuos hortofrutícolas en el Caso 2 Las soluciones obtenidas son: F1=6,64 para el Caso 1 (ver Ecuación 11) y F2=30,80 para el caso 2 (ver Ecuación 12). Finalmente, cabe recalcar que la distribución de materia que conforma el sustrato ha sido seleccionada en función de criterios fijados a conveniencia; existen multitud de posibilidades factibles tanto de variaciones en la producción como de combinaciones en término de proporciones de residuos. 48 7 CONCLUSIONES ste trabajo de Fin de Grado tenía como objetivo principal la búsqueda de una solución eficaz al problema de la contaminación medioambiental, fruto, en parte, de la incesante generación de residuos existente en la actualidad. Ante una imperante necesidad de gestionar dichos residuos se ha optado por el desarrollo de una planta de digestión anaerobia, la cual se instauraría en la provincia de Sevilla y cuya finalidad sería la valorización de los residuos domésticos y comerciales puramente orgánicos de dicha provincia. A tal fin se han ido desarrollando una serie de puntos que estudian las distintas variables que deben de ser consideradas para crear esta planta, desde una propuesta para su emplazamiento hasta el diseño técnico de la propia planta, pasando por el análisis de la biomasa a tratar; esta última cuantificada a partir de la fracción orgánica de los residuos municipales del ámbito geográfico de Sevilla. Las estimaciones realizadas a lo largo del trabajo han sido claves para tener una visión clara y precisa de todo lo que implica este tipo de plantas: el orden de magnitud de los caudales que se manejan o los tamaños industriales de los equipos con los que se trabaja. En conjunto, se ha comprobado que, efectivamente, es viable la gestión de la parte orgánica de los residuos domésticos y comerciales de Sevilla mediante digestión anaerobia. Más allá del aspecto puramente técnico que constituyen las medidas y las dimensiones abordadas para la planta de digestión, se han contemplado las implicaciones ambientales que están asociadas a este proyecto. Sin ir más lejos, y dado que la gran mayoría de los residuos acaban depositándose en vertedero y provocando la emisión de gases contaminantes a la atmósfera, la instauración de dicha planta combatiría este problema de una manera bastante contundente. Especialmente, en lo que respecta a Andalucía, resultaría primordial la implantación de esta planta dado que la comunidad autónoma no dispone de ninguna de este tipo, a diferencia de en otras regiones de España. Adicionalmente, se puede dar la posibilidad de que la planta trate los subproductos orgánicos de las industrias cercanas a la localización de la planta, lo cual lleva a que no sólo se favorezca la economía circular y la disminución de las emisiones de GEI, sino que, al mismo tiempo, se impulse la simbiosis industrial por medio de la contribución de los residuos de estas empresas a la planta de digestión, desarrollando así una co-digestión. Enmarcado en esta estrategia contra la descarbonización, un factor vital ha sido la generación del biogás como combustible renovable, originado gracias a la planta de digestión anaerobia objeto de estudio. Un gas compuesto en su mayoría por metano y susceptible de ser optimizado, que representa una alternativa viable al gas natural. Con toda la cantidad de residuos orgánicos de la provincia de Sevilla suponiendo el 60% y co-digestando un 40% con los residuos procedentes de las industrias adyacentes se alcanzan casi 260 Nm3 de biogás/ tonelada de residuo anuales, lo que equivale a cerca de 30 millones de Nm3 de biogás anuales. Trasladando esta cifra a la cotidianidad, la planta propuesta abastecería de electricidad a miles de casas al año; y si se purifica el gas para lograr biometano (suponiendo que 1 Nm3 de biogás produce, de media, 0,6 Nm3 de biometano) se podría inyectar a la red casi 18 millones de Nm3 de este gas renovable al año. En definitiva, se plantea una oportunidad de aprovechar algo tan inevitable como son los residuos para combatir el daño ocasionado a la atmósfera, por medio de una tecnología madura que integra la combinación perfecta entre la actividad industrial y el respeto por el medio ambiente. E 49 REFERENCIAS Abogarse, 2023. 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