EL MUNDO ANTE EL RETO DE LA VALORIZACIÓN Ing.Borja Zárraga Suárez

Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC
EL MUNDO ANTE EL RETO DE LA VALORIZACIÓN
DE RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS
Ing.Borja Zárraga Suárez
Responsable Comercial de la Unidad Estratégica de Negocios
de Energía y Procesos Internacionales
SENER Ingeniería y Sistemas S.A.
borja.zarraga@sener.es
Resumen - Los Residuos Sólidos Urbanos se han convertido en un problema en las
sociedades modernas. Los vertederos, incluso en los honrosos casos en los que se
encuentran correctamente gestionados, suponen una solución ineficaz, por ocupar amplias
superficies, producir incendios y accidentes, contaminar napas, destruir paisajes y
recursos naturales y generar gases de efecto invernadero (metano)
Europa adoptó la valorización energética como solución, a través de la Directiva Marco
de Residuos, 2008/98/CE. En ella se establece la jerarquía de los sistemas de gestión de
residuos, primando la valorización energética sobre la eliminación (vertedero)
En la presente se expondrá el estado del arte de la tecnología de valorización, aportando
datos sobre el proyecto Zabalgarbi (planta de valorización 240.000 t/año y 100 MW de
capacidad, reconocida por el programa europeo Thermie como proyecto de alta eficiencia
energética), que se trata de un diseño y llave en mano desarrollado por SENER Ingeniería
y Sistemas, S.A.
Índice
LOS RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU’S) ............................................................. 2
VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE RSU´S .................................................................. 3
VALORIZACIÓN CONVENCIONAL. LIMITACIONES POR CORROSIÓN Y
EFICIENCIA ........................................................................................................................ 3
SOLUCIONES INNOVADORAS PARA RESOLVER LOS PROBLEMAS DE
CORROSIÓN Y EFICIENCIA EN RSU´S ....................................................................... 6
AHORRO EN EMISIONES DE GEI (GASES EFECTO INVERNADERO) ................ 9
CONCLUSIONES .............................................................................................................. 10
COPYRIGHT ..................................................................................................................... 10
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LOS RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU’S)
Los Residuos Sólidos Urbanos (RSU’s) se han convertido en un problema en las sociedades
modernas. Los vertederos, incluso en los honrosos casos en los que se encuentran
correctamente gestionados, suponen una solución ineficaz, por ocupar amplias superficies,
producir incendios y accidentes, destruir paisajes y recursos naturales y generar Gases de
Efecto Invernadero (GEI), como el metano. Se estima que los vertederos europeos son
causantes del 2-3% de los GEI en la Unión Europea.
Pese a las campañas de prevención, la generación de residuos urbanos sigue creciendo cada
año. Se prevé que la cantidad de residuos urbanos generados se incremente en un 25% entre
2005 y 2020. Mientras en 2005 en España se generaron 26 millones de toneladas, en 2020
se prevén que sean 32,5 millones de toneladas (aproximadamente 800 kg por habitante).
Como consecuencia clara de las políticas de sostenibilidad basadas en las 3R’s (Reducir,
Reutilizar, Recuperar), el siguiente paso que se puede dar es el de la Valorización
Energética de los Residuos, permitiendo que las emisiones de gases efecto invernadero
disminuyan, evitando la combustión de combustibles fósiles, y permitiendo que un
problema medioambientalmente grave como las basura doméstica, se vea ampliamente
paliado.
Europa, algunos de cuyos países como Alemania están en la vanguardia de desarrollo social
y tecnológico relativo a RSUs, adoptó hace 2 años la valorización energética como
solución, a través de la Directiva Marco de Residuos, 2008/98/CE. En el capítulo 4 de esta
Directiva se establece la jerarquía de los sistemas de gestión de residuos, primando la
valorización energética sobre la eliminación (vertedero):
1- Prevención
2- Preparación para la reutilización
3- Reciclado
4- Valorización (incluida la energética)
5- Eliminación
Esto supone un cambio profundo en la forma de afrontar el futuro de la gestión de la basura
doméstica con respecto a las prácticas habituales en el pasado.
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VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE RSU´S
La valorización de RSU’s ha sufrido históricamente un estigma arrastrado desde los años
70-80 del pasado siglo, derivado de algunos ejemplos de plantas con una incorrecta
definición técnica, y que han lastrado la imagen del sector durante tiempo.
Sin embargo, la aplicación de la Directiva Europea se prevé que va servir como punto de
partida para la construcción de más plantas de valorización, siguiendo la tendencia de los
últimos años (ver datos para Alemania en la Tabla 1):
Año
Número plantas
Capacidad
(miles de t/año)
1965
7
718
1970
24
2.829
1975
33
4.582
1980
42
6.343
1985
46
7.877
1990
48
9.200
1995
52
10.870
2000
61
13.999
2005
66
16.900
20101
78
18.800
Tabla 1. Evolución plantas valorización RSU en Alemania
VALORIZACIÓN CONVENCIONAL. LIMITACIONES POR CORROSIÓN Y
EFICIENCIA
Las antiguas plantas de incineración de basura tenían como único propósito la combustión
de los RSU’s, sin ningún tipo de valorización. Cuando, a mediados de siglo XX,
comenzaron a aprovecharse los ciclos térmicos agua-vapor para la generación de vapor, la
carrera por buscar eficiencia llevó a un incremento de temperatura en la generación de
vapor. La combustión de los residuos urbanos se lleva a cabo en combinaciones de horno -
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Cifras de 2010 estimadas por autor
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calderas especiales, derivados de las calderas de las centrales térmicas de carbón, con
generación de electricidad en una turbina de vapor (ciclo Clausius -Rankine)
En general tras un tratamiento previo de separación, la fracción resto, con homogeneidad
razonable, tendrá un Poder Calorífico Inferior (PCI) del orden de 8 a 11 kJ/kg. La
composición y humedad aconsejan en general utilizar hornos de parrilla móvil, empleando
aire en exceso y precalentado en muchos casos. Con estos se consiguen una temperatura de
los gases de combustión suficiente como para eliminar las dioxinas y furanos producidas en
la combustión. En general, se suelen emplear combustiones a más de 850ºC sostenidas
durante más de 2 segundos.
Otra posibilidad es emplear calderas de lecho fluido, que requieren un tratamiento previo
para eliminar componentes metálicos y otros no deseados, de manera que se reduzca
sustancialmente el tamaño del combustible.
En cualquier caso, el problema principal al que se enfrentan los hornos incineradores es la
corrosión y su equilibrio con el rendimiento energético.
El mecanismo de la corrosión se conoce bien, y diversos estudios han llevado a cabo
pruebas y ensayos, demostrando la variación del ataque corrosivo en función de las
temperaturas y condiciones de combustión.
Datos de corrosión de sobrecalentadores mm/año
450
Temperatura de vapor [°C]
440
430
2,8
0,4
420
1,0
1,8
410
0,1
0,1
400
0,3
0,1
0,8
1,0
0,4
390
0,1
0,1
380
370
550
600
650
700
750
800
Temperatura de gases para sobrecalentadores [°C]
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Desde el punto de vista práctico, a partir de temperaturas de 400 ºC, a pesar de usar
elementos resistentes, la corrosión actúa seriamente y hay que sustituir con frecuencia
elementos a presión (tubos) de los haces sobrecalentadores (a veces, los sobrecalentadotes
enteros). Esto implica unos costos de reposición y un amplio tiempo de parada.
A temperaturas de 380 ºC también existe corrosión, pero menos acelerada, con
repercusiones casi despreciables y con mayores intervalos en las sustituciones de haces
tubulares. El diagrama adjunto refleja mediciones efectuadas durante años en calderas de
residuos en diversos países, y muestra la importancia que se debe prestar a las temperaturas
de gas y material2.
Zona conflictiva
Vapor > 300°C
Gases > 700°C
O2 – distribución,
revestimento con
materiales aleados :
inconel, etc.
180 – 220 oC
Refractario
130oC
420oC, 45 bar
2
Las temperaturas de material están 30 – 50 °C por encima de la del vapor
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Las partes de la caldera de residuos más proclive a verse afectada por esta circunstancia se
localiza en la zona subsiguiente al hogar y los haces de convección que operan a
temperaturas de agua/vapor elevadas, tal y como sucede en la zona de sobrecalentamiento y
evaporación.
Buena parte del primer paso de la caldera, es decir la parte más cercana al hogar, está
protegida por un refractario. No obstante, en la parte no protegida; por encima del
revestimiento anteriormente mencionado, se dan muchas veces ataques de corrosión muy
fuertes. Por este motivo algunos operadores han decidido proteger esta zona con materiales
más resistentes a la corrosión.
La legislación medioambiental -el cumplimiento de 2 segundos por encima de 850 °C para
eliminar dioxinas y furanos-, junto al incremento del PCI del combustible por la recogida
selectiva y/o el tratamiento previo de los residuos, conducen cada vez más a un aumento de
la temperatura en el proceso de combustión y por consiguiente precipitan el riesgo de
corrosión en zonas afectadas por estas condiciones.
Adicionalmente, en los últimos años existe la tendencia de generar más energía eléctrica y
por consiguiente a desviarse del ámbito habitual de los parámetros de vapor vivo
comprendido entre 400 - 450°C, 40 - 45 bar, factor que sin duda traerá como consecuencia
una aceleración de la corrosión en las superficies metálicas de los evaporadores y
sobrecalentadores.
SOLUCIONES INNOVADORAS PARA RESOLVER LOS PROBLEMAS DE
CORROSIÓN Y EFICIENCIA EN RSU´S
En los últimos años, SENER ha desarrollado varias soluciones a ambos problemas:
minimización de la corrosión en las calderas y optimización de la eficiencia del proceso.
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Ciclo SENER-2
330oC
180 – 220 oC
2
o
160
1 C3
4
5
9
90oC
6
8
564oC
7
En este ciclo se consigue aumentar notablemente la eficiencia energética utilizando los
gases de escape calientes de una turbina de gas para sobrecalentar el vapor saturado a alta
presión generado en la caldera de residuos.
Las temperaturas empleadas (330ºC aproximadamente), distan mucho de los 400-420ºC
que establecen el límite de riesgo. Mientras tanto, los rendimientos eléctricos que se suelen
obtener con esta configuración se ascienden a aprox. 40 % referidos a la carga térmica
bruta. Se genera aprox. 20 % más vapor en estas condiciones que en la versión
convencional.
Esta solución no se trata sólo de una brillante idea, sino que SENER la llevó a la realidad
en la construcción de la planta ZABALGARBI, que se encuentra en operación en la ciudad
de Bilbao (España) desde el año 2004, con una capacidad de generación de 100 MWe
brutos y valorizando más de 240.000 t/a de RSU’s, con una disponibilidad de valorización
de 8.000 horas y cumpliendo holgadamente los más estrictos parámetros de emisiones, así
como las Directivas Europeas actualmente en estudio.
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La planta fue galardonada por la Unión Europea con el premio Thermie, al proyecto
energéticamente más eficiente del año, con una subvención cercana a 3 millones de euros.
La planta es, por tanto, un referente mundial en tecnología de valorización de RSU’s.
Ciclo SENER-4
180 – 220 oC
160oC
330oC
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Este ciclo está basado en la experiencia de Zabalgarbi, adaptando las condiciones de
generación a aquellas de emplazamientos que no disponen de posibilidad de instalar una
turbina de gas. En este caso, se genera vapor sobrecalentado en la caldera de residuos a
temperaturas moderadas y presión alta, recalentando posteriormente el vapor en la propia
caldera (de nuevo, a temperaturas lejanas a los 400ºC). Con ello, se evita la corrosión
acelerada en las partes más calientes de la caldera. Los rendimientos eléctricos que se
obtienen con esta configuración rondan el 32 – 33 % referidos a la carga térmica bruta. Se
genera aprox. 20 % más vapor en estas condiciones que en la versión convencional.
AHORRO EN EMISIONES DE GEI (GASES EFECTO INVERNADERO)
La cantidad de emisiones de CO2 fósil en plantas de valorización depende de la calidad de
los residuos y del rendimiento de la planta. Como valor promedio se cuenta con que cada t
de residuos emite aprox. 366 kg de CO2 fósil. El siguiente ejemplo compara la combustión
de residuos con otros combustibles y muestra el ahorro de CO2 fósil frente a ellos:
La valorización energética de 1.930.000 t de R.S.U. (caso de España) produce una potencia
de 167 MWe, con una generación eléctrica de 1,34 GWh/a, resultando en una emisión de
707.000 t/a de CO2.
Para la generación de la misma electricidad por combustión de combustibles fósiles, se
necesitarían:
-
Generación con Gas Natural: 350.000 Nm3 de Gas Natural
-
Generación con Fuel oil:
360.000 t/a de Fuel Oil
-
Generación con carbón:
460.000 t/a de Hulla
que generan las siguientes cantidades de CO2 fósil
-
Generación con Gas Natural: 822.000 t/a CO2 fósil (ahorro de 115.000 t/a)
-
Generación con Fuel oil:
1.116.000 t/a CO2 fósil (ahorro de 409.000 t/a)
-
Generación con carbón:
137.000 t/a CO2 fósil (ahorro de 663.000 t/a)
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CONCLUSIONES
La valorización energética de RSU’s es hoy en día una prioridad, claramente identificada
en Europa, que de alguna manera encabeza mundialmente el desarrollo tecnológico y
medioambiental. Las tendencias son la búsqueda de la mayor eficiencia y el máximo
control sobre las emisiones.
Los retos técnicos a los que se enfrenta la valorización son dos: búsqueda de optimización
de eficiencia y optimización del comportamiento ante corrosión (disponibilidad de las
instalaciones). SENER ha desarrollado soluciones técnicas a dichos problemas, llevando
algunas a producción comercial durante los últimos 6 años en la planta de ZABALGARBI.
COPYRIGHT
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