La basura como recurso energético. Situación actual y prospectiva en México

Transcripción

1 36 José Luis Arvizu Fernández Artículo publicado originalmente en la revista de Ingeniería Civil, edición 496, agosto Resumen El objetivo de este artículo es describir los factores involucrados en el aprovechamiento energético de la basura municipal, así como estimar el potencial para la generación de electricidad en nuestro país, mediante la conversión de la basura por medios biológicos en rellenos sanitarios y por incineración en plantas térmicas. Asimismo se describen los aspectos relacionados con la consideración de la basura como combustible o fuente de energía para la generación de electricidad. Existen dos procesos para este propósito, el biológico, efectuado en rellenos sanitarios, y el térmico en sus diferentes versiones. También existen nichos de oportunidad, sobre todo en las propias ciudades donde se genera la basura, ya que la energía se puede aprovechar para alumbrado público, bombeo de agua y transporte masivo, entre otros usos más específicos. Paralelamente estos procesos y tecnologías son sustentables y amigables con el medio ambiente, ya que son en sí mismos un tratamiento de la basura. Sin duda el potencial energético y los beneficios ambientales están a la vista, sólo falta la difusión y conocimiento real de las tecnologías, que se describen de manera general en este artículo, y que sin duda son el camino probado para aprovechar el potencial energético de la basura.

2 37 Introducción Ante la actual situación energética del país, caracterizada por una baja sensible en las reservas y producción de hidrocarburos, reviste mayor importancia considerar el potencial energético de la basura municipal. En este sentido se debe considerar la situación actual de este recurso energético, así como los procesos existentes para su conversión a energía y las tecnologías disponibles y probadas comercialmente en la actualidad. Características de la basura Para considerar a la basura como una fuente de energía, se deben tomar en cuenta dos aspectos básicos: la cantidad que se genera y su contenido energético. De acuerdo con cifras oficiales en 2008 se generaron en nuestro país 103 mil toneladas al día de basura municipal, de las cuales se dispuso el 58.1% en rellenos sanitarios, el 9.4 % en sitios controlados y el restante 32.5% en tiraderos a cielo abierto. En términos prácticos se genera 1 kg/hab/día. La disposición y manejo que se le da a la basura en nuestro país se basa en el reciclamiento informal y su disposición en 128 rellenos sanitarios, los cuales están distribuidos en 12 rellenos ubicados en zonas metropolitanas, 61 en ciudades medianas, 43 en ciudades pequeñas y 12 en comunidades rurales o semiurbanas (Sedesol, 2008). La composición anterior da por resultado que existan diferentes contenidos energéticos, de tal manera que el valor máximo de este parámetro se tiene en la basura generada en el Distrito Federal, México, con un valor de 14.9 MJ/kg, y el menor en la basura generada en la región Sur con poder calorífico de 12.7 MJ/kg. En todos los casos, el poder calorífico se encuentra dentro de los valores necesarios para su conversión a energía. En la tabla 1 se resume la composición promedio de la basura por región en nuestro país. El contenido de materia orgánica es del 43%, en tanto que la suma de los porcentajes de papel, cartón, textiles y plásticos da un valor del 30%. Tabla 1. Composición de la basura en México (1) Subproducto Frontera norte Norte Centro Sur D.F. Papel y cartón 16% 15% 16% 14% 20% Textiles 2% 2% 1% 2% 1% Plásticos 8% 8% 4% 3% 11% Vidrios 7% 6% 9% 4% 11% Metales ferrosos 2% 2% 1% 1% 2% No ferrosos y aluminio 3% 2% 3% 5% 2% Orgánicos 43% 42% 46% 44% 40% Otros 19% 23% 20% 27% 13%

3 38 Procesos de conversión Existen básicamente dos procesos de conversión de la basura a energía, estos son los de tipo biológico y los de tipo térmico. Los primeros son efectuados por bacterias mediante el proceso de digestión anaerobia, donde descomponen de manera natural la parte orgánica de la basura en ausencia de aire. Este proceso ocurre en los rellenos sanitarios y sitios no controlados, así como en tanques o reactores donde se acelera el proceso anterior, en el que se genera una mezcla de gases mejor conocida como biogás, cuyo componente principal es el metano (CH 4 ), también encontrado en el gas natural, y el segundo gas de efecto invernadero más importante, equivalente a 21 veces el bióxido de carbono. Los procesos térmicos como la incineración, la pirólisis, la gasificación a baja temperatura y la gasificación en arco de plasma, se caracterizan por la conversión del carbono contenido en la basura bajo diferentes condiciones de temperatura y aire principalmente. En la incineración el carbono es convertido a altas temperaturas en bióxido de carbono para liberar energía en forma de calor, que a su vez puede generar vapor y electricidad en una turbina. La pirólisis, es una etapa intermedia de la incineración, donde se restringe la presencia de oxígeno, y el mismo carbono de la basura es convertido a combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, como carbón vegetal, monóxido de carbono, metano e hidrógeno, y el alquitrán, este proceso se ha empleado tradicionalmente para la producción de carbón vegetal, se le conoce comúnmente como destilación seca de la madera. En la gasificación se pueden distinguir dos procesos, dependiendo de la temperatura de operación, el primero ocurre a baja temperatura a 500 C, y el segundo en arco de plasma, donde el carbono es convertido mediante aire o gas ionizado a temperaturas de 5000 C a 7000 C. En los dos casos se genera monóxido de carbono, hidrógeno y metano, que pueden ser empleados como combustible para la generación de electricidad en motores de combustión interna, y recientemente en celdas de combustible.

4 39 Tecnologías de conversión Conversión biológica Histórica y globalmente, el relleno sanitario se ha empleado como el método más aceptado desde el punto de vista económico. Aún con la disminución de la generación de residuos por el reciclaje o los sistemas de procesamiento, el relleno sanitario prevalece como un componente imprescindible de los sistemas de manejo de la basura municipal. El relleno sanitario, como toda obra de ingeniería, tiene que ser planeado y diseñado previamente para asegurar su correcta construcción y operación. El relleno sanitario está formado por una trinchera natural o artificial que debe ser preparada mediante compactación, impermeabilización y nivelación, de tal manera que se puedan instalar los sistemas de drenaje, bombeo de lixiviados, extracción y captura de biogás. Una vez depositada la basura, deberá cubrirse con material que permita, por un lado, la mayor recuperación posible de biogás y evite su fuga hacia los costados y la atmósfera, como se aprecia en la figura 1, y por el otro, que evite la entrada de aire y agua de lluvia al relleno. El biogás generado en los rellenos sanitarios es una mezcla de gases que contiene un 50% de metano, 45% de bióxido de carbono y en menores cantidades: oxígeno, nitrógeno, vapor de agua y ácido sulfhídrico, así como una gran variedad de gases en cantidades traza. Este biogás es conducido hacia la central eléctrica, compuesta generalmente por módulos de 1 MW de capacidad, a través de tuberías que son conectadas a sopladores que extraen el biogás de los pozos construidos en el relleno sanitario. Figura 1. Esquema de un relleno sanitario. (3) En algunos de los proyectos a nivel mundial de rellenos sanitarios, sobre todo de proyectos desarrollados en el marco del Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL), las emisiones de metano y por lo tanto de biogás han sido sobrestimadas. En la tabla 2 se resumen algunos proyectos MDL en rellenos sanitarios, donde se muestra el porcentaje de recuperación de metano real con respecto al esperado. El incumplimiento del diseño y plan de construcción y operación de los rellenos sanitarios, ha conducido en muchos casos a una menor recuperación de metano de la esperada, por lo que la preparación del sitio, la impermeabilización, la instalación Tabla 2. Proyectos MDL de rellenos sanitarios. % de recuperación de Proyecto gas Liepaja, Latvia 68 Nanjing, China 16 Bandeirantes, Brasil 48 Dominico, Argentina 12 Bahía, Brasil 33 Guangdong, China 18 Aguascalientes, 59 México San Salvador, 102 El Salvador Simeprodeso, México 204 Maldonado, Uruguay 76 Olavarría, Argentina 20

5 40 del sistema de extracción de lixiviados y la compactación de las coberturas intermedias y finales, han conducido a reducir la viabilidad de estos proyectos por la presencia de lixiviados y grietas en las cubiertas, provocado por asentamientos acelerados a consecuencia de una pobre compactación de la basura durante la operación del relleno sanitario. Algunas de las razones por la que existen estas sobrestimaciones son: limitaciones de las pruebas de bombeo, no se cubre diariamente la basura en el relleno, manejo inadecuado de los lixiviados, no se desvían las aguas pluviales, uso de constantes del modelo inadecuadas, pozos de extracción mal construidos, entre otros. Para dar un tratamiento adecuado a los lixiviados, es necesario tener un sistema de drenaje y manejo como el mostrado en la figura 2, de tal manera que se evite su acumulación excesiva que impida la extracción del biogás. En México existe un caso exitoso de esta tecnología, situado en el municipio de Salinas Victoria, Nuevo León. Este proyecto se puso en operación en mayo de 2003, con una capacidad de generación inicial de 7.4 MW, en 2008 se amplio a 12.7 MW y actualmente se encuentra en proceso de una nueva ampliación a 16.9 MW, y se espera llegar a 25 ó 30 MW en los próximos años. La energía que produce esta planta se suministra a los municipios de la zona metropolitana de Monterrey, para uso en alumbrado público, en el Sistema de Transporte Colectivo Metrorrey, para el DIF de Nuevo León, las oficinas de Agua y Drenaje de Monterrey, así como para el Gobierno de Nuevo León. El volumen de Figura 2. Captación y manejo de lixiviados. (4) biogás extraído en 2008 fue de 7,800 m3/h, en 100 hectáreas del sitio donde se depositaron 15 millones de toneladas de basura y se perforaron 465 pozos para la captura del biogás. Conversión térmica El proceso de combustión con recuperación de energía conocido como basura a energía (WTE, por sus siglas en inglés), es una de las alternativas existentes para el manejo de la basura, ya que reduce la cantidad de materiales enviados a los rellenos sanitarios, previene la contaminación de agua y aire, permite mejorar los programas de reciclamiento, requiere menos espacio y disminuye la dependencia de los combustibles fósiles para la generación de energía. La incineración puede llevarse a cabo con tecnologías sin clasificación de la basura (Mass Burn), o con clasificación de la basura (RDF, por sus siglas en inglés). El término RDF (Combustible Derivado de la Basura), se refiere a la basura que es procesada para incrementar su poder calorífico y quemarse tanto en plantas WTE, como en plantas termoeléctricas convencionales. Los mayores problemas enfrentados por esta tecnología son sus mayores costos de inversión y operación. En 2005 existían en el mundo alrededor de 760 plantas de incineración de basura en operación. En Estados Unidos existía una capacidad de incineración de 29 millones de toneladas anuales equivalentes al 8% de los 369 millones anuales de toneladas de basura que generan, 7% se convertía a composta, 20% era reciclada y 65% se depositó en rellenos sanitarios. En tanto que en Europa, en 2002, existían 340 plantas con una capacidad de incineración de 50 millones de toneladas anuales. Los países que se destacan por

6 41 Figura 3. Esquema de planta de incineración de basura. incinerar su basura son: Dinamarca (55%), Suecia (55%), Suiza (45%), Holanda (48%), Francia (35%) y Alemania (42%). Dichos valores indican el porciento de basura que incinera cada país de la que produce. Los incineradores de lecho fluidizado se usan ampliamente en Japón. Esta tecnología tiene mayor eficiencia, debido a que las temperaturas de incineración son más altas, permitiendo una mayor recuperación de energía, menores cantidades de materiales no oxidados y menos exceso de aire que las plantas tradicionales. La tecnología de la gasificación a baja temperatura (500 C), convierte la basura a una mezcla de gases, con un poder calorífico comprendido entre 6 y 12 MJ/m 3. Existen más de 100 plantas de gasificación alrededor del mundo en operación y construcción actualmente, algunas han estado en operación comercial por más de cinco años. La gasificación tiene varias ventajas sobre la incineración convencional, ya que se lleva a cabo en ambientes con bajo contenido de oxígeno, lo que limita la formación de dioxinas y grandes cantidades de óxidos de azufre y nitrógeno. Como resultado de estos requerimientos, el volumen de los gases de combustión producidos es menor, por lo que se requieren equipos de tratamiento más pequeños y menos costosos. La tecnología de arco de plasma se efectúa en un medio de gas ionizado con número igual de cargas positivas y negativas, las cuales pueden conducir la electricidad. Se genera por descargas de corriente con alto voltaje entre dos electrodos, los resultados son la producción de luz y calor. A diferencia de los metales que están limitados por sus temperaturas de fusión, el gas no tiene limitaciones de temperatura que alcanzan de los 3,000 a los 8,500 C, suficientes para suministrar la energía de activación necesaria para promover los cambios físicos y químicos de la materia, los cuales no pueden ocurrir cuando se calienta con la baja temperatura de combustión convencional. El gas de síntesis generado por esta tecnología compuesto por CO, H 2 y CH 4, se puede emplear en turbinas, o convertirlo a metanol, etanol o gasolinas. Por sus ventajas, la tecnología de arco de plasma se considera la tecnología del futuro en el campo del tratamiento de la basura. Actualmente existen 4 ó 5 plantas demostrativas de esta tecnología en el mundo.

7 42 Potencial energético de la basura Para determinar el potencial de la basura como combustible, se recurrió a fuentes directas de información sobre la cantidad de basura generada en nuestro país, como la Secretaría de Desarrollo Social, que se encarga de generar la información relativa a la cantidad de basura generada en nuestro país por entidades y municipios. A partir de esta información y con metodologías propias que permiten estimar la producción de biogás y electricidad de los rellenos sanitarios y basureros existentes en nuestro país, se determinó la capacidad eléctrica de esta fuente de biomasa resumida en la tabla 3. Por cada tonelada de basura dispuesta en un relleno sanitario se pueden generar de 150 a 175 kwh, en tanto que por cada tonelada de basura incinerada se puede generar un promedio de 550 kwh. Tabla 3. Capacidad eléctrica de la biomasa. Tecnología Capacidad MW Capacidad MW Biogás Incineración 0 2,415 Subtotal 165 2,415 Con biogás existe un potencial estimado en 165 MW provenientes de la basura ya depositada en rellenos sanitarios. En tanto que si se genera electricidad mediante incineración de la basura existe un potencial de 2,415 MW, distribuido por regiones en la República Mexicana (figuras 4 y 5). Figura 4. Potencial regional de generación de electricidad con biogás de residuos sólidos depositados en rellenos sanitarios en México. (1) Figura 5. Potencial regional de generación de electricidad con incineración de basura municipal en México. (1)

8 43 Conclusiones En un país tradicionalmente petrolero resulta difícil concebir la basura municipal como una fuente de energía. Sin embargo, la actual situación energética motiva a la búsqueda de fuentes alternas de energía que se caractericen por ser renovables, sustentables y compatibles con el medio ambiente. Dentro de este contexto la basura municipal, cumple con estos atributos, ya que por un lado se genera en cantidades suficientes y con el contenido energético necesario para su conversión a energía, al mismo tiempo de proteger al medio ambiente. Existen básicamente dos procesos para convertir la basura a energía, estos son el biológico y el térmico. Las tecnologías derivadas de estos procesos fundamentalmente son dos, los rellenos sanitarios con captura del biogás que genera para ser convertido a electricidad y calor, y la incineración en sus diferentes variantes, siendo la más usada la de calderas de parrilla inclinada con tratamiento intensivo de los gases de combustión. Hay gran cantidad de proyectos de biogás con generación de electricidad en los países desarrollados, en México sólo existe un caso exitoso desde 2003, que puede referirse como ejemplo para otros proyectos similares en nuestro país. Asimismo existen desde hace décadas cientos de plantas en los propios países desarrollados, en nuestro país no existe ninguna, por lo que el campo de aplicación es nuevo y amplio. En estos términos hay en México un gran potencial de aprovechamiento energético de la basura, la cual se genera diariamente del orden de 100 mil toneladas, de las cuales la mayor parte se deposita en rellenos sanitarios. Las dos tecnologías no se contraponen, ya que la generación de electricidad en rellenos sanitarios proviene de basura ya existente, y la generación de electricidad por incineración o procesos térmicos se aplicaría a basura que se está generando día a día y en el futuro. Los rellenos sanitarios han tenido aceptación en nuestro país debido a que son menores los costos de inversión, operación y mantenimiento, sin embargo, en California, Estados Unidos, y en Europa desparecerán en los próximos años, por lo que los procesos térmicos que requieren mayores costos de inversión, operación y mantenimiento junto con el reciclamiento, sustituirán a los rellenos sanitarios como métodos para el tratamiento de la basura municipal. Sin duda el potencial energético y los beneficios ambientales están a la vista, sólo falta la difusión y conocimiento real de las tecnologías, que se han descrito de manera general en este artículo y que sin duda son el camino probado para aprovechar el potencial energético de la basura.

9 44 Bibliografía 1. Arvizu Fernández José Luis; Potencial Eléctrico Regional de Fuentes de biomasa en México; XXXI Semana Nacional de Energía Solar; ANES, Zacatecas, Zac. octubre Dávila José Luis; Biogás de Rellenos Sanitarios; Generalidades; Taller Methane to Markets; SCS Engineers; Guadalajara, Jalisco; 26 de marzo Cédulas de encuestas para realizar el diagnóstico para la disposición final de los residuos sólidos urbanos de 71 municipios de la República Mexicana 2005, México Limpio, SEDESOL, BANOBRAS, AMMAC, INAFED, GTZ, SUSTENTA, México D. F., Saldaña Méndez Jaime Luis; Cartera de Proyectos de Energías Renovables y Proyectos MDL Potenciales; Taller Práctico Sobre Bioenergía, SEISA, Monterrey, N.L. 3 agosto Guzzone Brian; Overestimation of Landfill Gas Recovery-Implications and Recommendation for Better Modeling Practices, Methane to Markets, USEPA, Terraza Horacio, Willumsen Hans, Guimaraes Helvecio; Landfill Gas Capture; Design Vs Actual Performance and the Future of CDM Projects; Workshop Washington D.C., April 19, Arvizu Fernández, José Luis; Barreras para la Autogeneración Municipal con Biogás de Rellenos Sanitarios en México. Lecciones Aprendidas; 1er Coloquio Internacional Sobre la Conversión a Electricidad del Gas Producido en los Rellenos Sanitarios en México, IIE/ITESM, Aguascalientes, Aguascalientes 21 y 22 de octubre de JOSÉ LUIS ARVIZU FERNÁNDEZ [jlarvizu@iie.org.mx] Ingeniero Químico por la UNAM en Investigador desde 1983 de la Gerencia de Energías No Convencionales del IIE. Autor de metodologías, procesos y sistemas para la evaluación y transformación energética de los residuos sólidos, aguas residuales y residuos agropecuarios vía procesos térmicos y biológicos. Jefe de los proyectos: Evaluación de la factibilidad de generación eléctrica con el biogás generado en los rellenos de desechos sólidos urbanos en 1991, y Estudio de evaluación de las emisiones de biogás y caracterización de la potencia energética que se puede obtener del relleno prados de la montaña del DDF en Autor del Inventario Nacional de Emisiones de metano como gas de efecto invernadero sector desechos en 1995, 2000 y Organizador del primer y segundo coloquios sobre la conversión del metano generado en los rellenos sanitarios, efectuados en los ITESM Campus Aguascalientes en 2002 y Campus Monterrey en Actualmente es investigador y Jefe de los Proyectos: Conversión de residuos a energía vía procesos biológicos y termoquímicos ; Evaluación para la producción de metano del relleno sanitario de bordo poniente para el GDF, y Pruebas de bombeo en el relleno sanitario de Los Laureles, El Salto, Jalisco, entre otros. Recientemente fue autor del Inventario Estatal de GEI del sector desechos para el Estado de Puebla. Coautor de los libros: La Bioenergía en México y Cambio climático: una visión desde México, con el tema: registro histórico de los principales países emisores, así como del Libro del Maíz (2010), con el capítulo: biocombustibles derivados del maíz. Coautor y coordinador asociado del libro: La Bioenergía en México (2005).