HB2009 Instructions for Full paper - Instituto Nacional de Eficiencia

EFICIENCIA
METALES
ENERGÉTICA
ASOCIADA
AL
RECICLAJE
DE
Nina Delaunay1 y Ricardo Montero2*
1
2
*
Reciclametal Cía. Ltda., Quito, Ecuador
Instituto Nacional de Investigación Geológico Minero Metalúrgico, Quito, Ecuador
Autor corresponsal: [email protected]
RESUMEN
El consumo energético en la industria minera de metales alcanza hasta un 10% del consumo
de energía a nivel mundial. Este valor se reduce considerablemente cuando se extraen estos
metales de fuentes secundarias mediante procesos de reciclaje. Se ha demostrado que los
procesos de reciclaje permiten una reducción del consumo energético requerido en el proceso
de fabricación del zinc, cobre, níquel y aluminio en un valor máximo del 75%, 85%, 90% y
95% respectivamente.
Adicionalmente existen fuentes secundarias de metales con un potencial energético intrínseco.
Este es el caso de los residuos electrónicos que tienen un contenido aproximado del 76% de
plástico en su estructura. Este plástico funciona como un sustituto del combustible requerido
para la refinación de los metales presentes en estos residuos.
Los procesos de reciclaje permiten reducir las emisiones de gases de infecto invernadero al
consumir una menor cantidad de combustible y adicionalmente brindan una alternativa a la
explotación de metales de fuentes naturales. El presente trabajo tiene como objetivo hacer una
revisión de los beneficios energéticos asociados al reciclaje de metales.
PALABRAS CLAVE
Reciclaje, metales, consumo energético, minería urbana, residuos electrónicos.
INTRODUCCIÓN
Generalidades
Se estima que la energía requerida para la industria de minería de metales alcanza hasta un
10% del consumo a nivel mundial (Earthworks y Oxfam, 2004). Este gasto energético incluye
las etapas de explotación, transporte, fundición y refinación de los minerales usados para la
extracción de metales. Otro impacto significativo es la modificación de los ecosistemas de los
cuales se extrae. La cantidad útil del mineral extraído es una fracción del material explotado
(Bournay et al., 2006). En la Figura 1 se presenta la cantidad de material removido y la
cantidad de mineral útil para algunos metales en los procesos de minería tradicional.
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Millones de toneladas por año
25
Mineral útil
20
Material removido
15
10
5
0
Fe
Cu
Au
Zn
Pb
Al
Mg
Figura 1. Cantidad de mineral útil y material removido en el proceso de
extracción de metales (Bournay et al., 2006)
Para el caso del oro, solo 1,15% del material removido es aprovechado en la extracción de
este metal precioso. Esto conlleva a un gran gasto energético asociado al procesamiento de
material que no brinda beneficio económico.
El reciclaje de metales se presenta como una alternativa para optimizar el uso de la materia
prima. Debido a que se requieren menores cantidades de material para recuperar la misma
cantidad de producto final. En la Figura 2, se presenta la disminución del consumo energético
en la fundición de magnesio en función del porcentaje de material reciclado.
Consumo de energía (kwh/kg)
40
% Reciclado
35
30
25
20
15
10
5
0
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Figura 2. Reducción del consumo de energía en la fundición de magnesio en
función del porcentaje de material reciclado (Martchek, 2000)
Como se muestra en la Figura 2, la reducción del consumo de energía decrece dramáticamente
al incrementar la cantidad de material reciclado usado en el proceso y es factible trabajar con
un 100% de material reciclado.
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Análisis Ciclo de vida (ACV)
El ACV de un producto permite evaluar los aspectos e impactos ambientales potenciales
generados a lo largo de su vida. Se lo denomina también análisis “desde la cuna hasta la
tumba” es decir desde la adquisición de la materia prima hasta la disposición final (Norgate,
2004, Yahaya et al., 2012). Recientemente se habla también de análisis “desde la cuna hasta la
cuna”, este toma en cuenta los procesos de reciclaje. Los ACVs son definidos en la norma
ISO 14040:2001 como lo indica la Tabla 1.
Tabla 1. Etapas fundamentales que constituyen los ACVs
Etapa
Actividades
1
Definición del alcance y del objetivo del análisis
2
Inventario: Recopilación de las entradas y salidas del sistema productivo
3
Evaluación de los impactos ambientales asociados con estas entradas y salidas
4
Interpretación de los resultados y mejoramiento de los procesos
El ACV busca cuantificar los impactos ambientales a través de factores de equivalencia, lo
que permite comparar el impacto ambiental de una sustancia de interés con una sustancia de
referencia. La Tabla 2 indica los impactos considerados en la mayoría de los casos así como
las sustancias de referencia (Norgate, 2004).
Tabla 2. Impactos ambientales principales de los ACVs (Norgate, 2004)
Impactos ambientales
Unidades utilizadas
Cambio climático
Efecto de 1kg de CO2
Acidificación
Efecto de 1 kg de SO2
Formación de oxidantes fotoquímicos
Efecto de 1 kg de etileno
Nutrificación
Efecto de 1 kg de fosfato
Declive de recursos
En función de los recursos mundiales
Es interesante considerar la energía utilizada durante la producción de metales en los ACVs
porque es un parámetro fácil de encontrar, permite calcular una parte de las emisiones y
facilita la comunicación del análisis a la población (Norgate, 2004). Se mide en la cantidad
acumulada de energía primaria consumida durante todas las etapas de producción de los
metales. Este indicador se denominara Requisito de Energía Bruta o REB.
Los resultados dados por diferentes ACVs, que contemplan un mismo proceso de producción
de un metal específico, pueden variar considerablemente. Esto se debe a que los parámetros
del sistema productivo considerado, como el tipo de transporte o la fuente de energía
utilizada, cambian según el alcance y ubicación del estudio.
PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE METALES
Los procesos metalúrgicos para la obtención de metales a partir de minerales y residuos se
dividen en dos grandes grupos, pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos. Los procesos
pirometalúrgicos consisten en la recuperación de metales mediante diferentes etapas de
fundición y refinamiento. Por otro lado, los procesos hidrometalúrgicos se enfocan en fases de
recuperación de metales en solución por lixiviación, extracción por solventes,
electroobtención, etc.
Los procesos de obtención del cobre y el plomo permiten ilustrar las etapas de recuperación
primaria y secundaria (reciclaje) de los metales ya que los procesos son similares para todos.
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Existen metales cuya fabricación se realiza con procesos pirometalúrgicos e
hidrometalúrgicos. El consumo energético asociado a los procesos pirometalúrgicos es
considerablemente mayor al de los procesos hidrometalúrgicos. Esto se debe principalmente a
las fases de conversión y fundición, las cuales requieren grandes cantidades de energía (Cui y
Zhang, 2008). Sin embargo existen procesos hidrometalúrgicos como la lixiviación en pilas,
usada para la recuperación de cobre de minerales de baja ley (baja concentración), la cual
presenta un consumo de energía menor pero tiempos de operación largos que en ocasiones
alcanzan varios años (Bartlett, 1997). En la Figura 3 se muestra un esquema general de los
procesos de recuperación del cobre metálico.
Proceso Pirometalúrgico
Proceso Hidrometalúrgico
Mineral de cobre
Residuos de cobre procesos relacionados,
mineral CuO
Beneficio
Concentrado de cobre
Tostación
Fundición
Extracción por solventes
Lixiviación ácida
Electroobtención
Mata de cobre
Chatarra
Refinación al fuego
Electrorefinación
Cobre catódico
Figura 3. Producción primaria del cobre por pirometalurgia e hidrometalurgia (BIR, 2008)
La producción secundaria del cobre se realiza por la vía pirometalúrgica e hidrometalúrgica.
La Figura 4 muestra el proceso pirometalúrgico de producción del cobre. Se observa que el
proceso de fundición de chatarra de baja ley permite aumentar la concentración del cobre en el
material previo al proceso de refinación. Adicionalmente, existen procesos de recuperación de
cobre por hidrometalurgia que permiten recuperar cobre con una concentración superior al
91% de pureza (Yazici y Deveci, 2013).
Chatarra de baja ley
Fundición
Convertidor
Cobre blister
Cobre negro
Chatarra de alta ley
Refinación en horno de ánodos
Figura 4. Producción secundaria del cobre por pirometalúrgica (BIR, 2008)
En la Figura 5 se presenta el proceso de producción primaria y secundaria el plomo. En el
caso de la producción primaria existen dos procesos pirometalúrgicos, cada uno es específico
para recuperar plomo de diferentes minerales. Para el caso del sulfuro de plomo (PbS) se
utiliza la fundición el Alto Horno (proceso Piro 1) y para el mineral de zinc y plomo se usa el
proceso de fundición en Horno de Fundición Imperial (proceso Piro 2). Un factor importante
en la producción secundaria es la utilización de chatarra con un alto contenido de plomo. Esto
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reduce la cantidad de materia prima para el proceso y el número de etapas requeridas para la
obtención del plomo metálico. De esta forma se disminuye el consumo energético en el
proceso.
Producción Primaria
Producción Secundaria
Alto Horno
Horno de función imperial
Mineral de PbS
Mineral de Zn/Pb
Concentración
Concentración
Sinterización
Sinterización
Fundición
Fundición
Refinación
Refinación
Chatarra de Pb baterías
(60% Pb, 15% PbO2, 12% PbSO4)
Fundición
Tratamiento de escorias
Refinación
Lingote Pb
75 – 85% Pb
Figura 5. Producción primaria y secundaria del plomo (BIR, 2008)
AHORRO ENERGÉTICO ASOCIADO AL RECICLAJE DE METALES
El reciclaje de metales es, muchas veces, más fácil de procesar, más barato e impacta menos
el ambiente que la producción primaria (Protomastro, 2013).
Los ACVs pueden aplicarse al reciclaje de metales al comparar la producción tradicional de
los metales a la producción vía fuentes secundarias. En este caso, diferentes ACVs se aplican
a los sistemas productivos antes expuestos.
El indicador REB antes definido permite observar las ventajas del uso de metales reciclados.
En efecto, el ahorro energético es uno de los mayores beneficios al utilizar esta otra fuente de
producción como lo indica la Figura 6 (Norgate, 2004).
Figura 6. REB en MJ por kg de metales de los diferentes procesos de producción de metales (Norgate,
2004; Johnson et al., 2008)
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La Tabla 3 indica un rango de ahorro de energía encontrado en la bibliografía. Los procesos
secundarios de producción de metales analizados permiten ahorrar más del 60 % de energía y
hasta el 95% para el caso del aluminio.
Tabla 3. Ahorro energético relacionado a la producción de metales reciclados en lugar de la
producción tradicional (Norgate, 2004; Rombach, 2013; Johnson et al., 2008, Huisman, 2003)
Metal
Ahorro energético (%)
Cobre
84-85%
Níquel
90%
Plomo
65%
Zinc
60-75%
Aluminio
90-95%
Acero
60-79%
Acero inoxidable
67%
Como se mencionó en la introducción, el consumo energético se utiliza para cuantificar las
emisiones de gases de efecto invernadero, es decir calcular la huella de carbono. Además, el
drástico ahorro de energía vinculado al reciclaje de metales permite disminuir fuertemente la
huella de carbono de la producción de metales.
Sin embargo, para conocer el posible ahorro de energía para la producción de un metal reciclado
es indispensable realizar el ACV para un escenario definido que toma en cuenta la ubicación y el
producto a reciclar, lo que influye en la recolección, el transporte, la separación y en
consecuencia la energía primaria utilizada (Norgate, 2004).
Adicionalmente, el proceso de producción de metales reciclados puede complicarse por la
presencia de otros metales contaminantes. En tales casos, el ahorro de energía no será tan alto o el
metal obtenido podrá presentar una calidad inferior al metal obtenido por procesos “tradicionales”
(Norgate, 2004). Afortunadamente, el diseño de los nuevos productos tiende a tomar en cuenta
este problema vía el Diseño Para el Reciclaje (o DFR en sus siglas inglés) que concibe productos
fácilmente reciclables (Norgate, 2004).
Para ciertos metales, la obtención de metales a través de procesos secundarios se desarrolló de
manera intensiva alrededor del mundo como lo indica la Tabla 4. Para el caso del aluminio o del
acero el consumo industrial de metales secundarios representa más de la mitad del consumo total.
Tabla 4. Consumo mundial de metales de interés y proporción proveniente de procesos de reciclaje
(Protomastro, 2013)
Cobre
Plomo
Aluminio
Acero
Oro
Consumo mundial anual
16,5
6,2
26
894
3,948
en millones de toneladas
Parte del consumo que Mundial 35% EE.UU. 70% EE.UU. 35% EE.UU. 79% Mundial 35%
proviene del reciclaje
Resto 55% Europa 31% Europa 55%
Asia 25%
Asia 52%
Resto 29% Resto 46%
CASO ESPECIAL DE LA MINERÍA URBANA
Generalidades
La minería urbana se puede definir como el reuso sistemático de los materiales de origen
antropogénico en las zonas urbanas (Brunner, 2011). Pueden ser considerados los productos
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que cumplieron su vida útil, que son disponibles para reuso y los que se encuentran en los
rellenos sanitarios o en otras partes urbanas.
La cantidad, la composición del material y la disponibilidad determinan si el reciclaje es
económicamente viable y técnicamente factible (Brunner, 2011).
Finalmente, la minería urbana busca reducir el consumo de energía en los procesos de
reciclaje, minimizar el transporte y desarrollar procesos con eficiencia energética (Brunner,
2011).
Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RAEE)
La minería urbana puede aplicarse a los RAEE (Yahaya et al., 2012). La cantidad de Residuos
Electrónicos (RE) es significativa ya que representa del 1 al 3% de la producción global
mundial de residuos sólidos urbanos (OECD, 2008). Se estima que en el año 2006 la
generación a nivel mundial de RE fue de entre 20 a 50 millones de toneladas métricas (UNEP,
2005).
Los RE están compuestos de metales básicos como cobre, hierro, níquel, estaño, aluminio o
zinc; metales preciosos como oro, plata o paladio; metales pesados como plomo, arsénico,
cadmio, cobalto, cromo, mercurio o selenio, y materiales inertes como vidrio y plásticos
(Gaidajis et al.2010).
Existen dos opciones directamente vinculadas con la composición de los RAEE que permiten
el ahorro energético en el manejo de estos desechos. La primera es el reciclaje en sí que
permite la producción de metales con mayor eficiencia energética y la segunda es la
utilización de la parte plástica con fuente de energía (USGS, 2001). La Directiva Europea
2002/96 fija un objetivo de reciclaje en peso para los RAEE, que incluye el aporte de los
materiales utilizados como fuentes de energía. Se estima que un 10% del objetivo se alcanza
por la sustitución de combustibles por el plástico presentes en los residuos RAEE (Tangea,
2005).
Metales preciosos
Los procesos de obtención de metales vía reciclaje de RAEE se diferencian de los
tradicionales por el alto contenido de metales en la materia prima. En efecto, en promedio,
una tonelada de RE contiene 10,4 g de oro (USGS, 2001). La concentración es más alta en los
teléfonos celulares y los circuitos impresos de computadoras, 300-350 y 200-250 gramos por
tonelada respectivamente (Hageluken y Meskers, 2010; UNEP, 2009).
El estudio de Yahaya et al. (2012) logra cifrar las ventajas del uso de RAEE como materia
prima para la producción de oro. Para conseguirlo, se utilizó el método del indicador 99 de los
ACVs. Este divide los impactos ambientales en categorías de daños, que son la salud humana,
la calidad de los ecosistemas y los recursos, antes de dar un valor final que indica el daño
global.
En el caso de la minería urbana a partir de RAEE, la producción de los metales empieza por
las etapas de recolección, desmantelamiento manual, trituración, molienda y separación de la
parte metálica y plástica antes de los procesos metalúrgicos.
El análisis de Yahaya et al. (2012) se enfocó en las etapas de reducción de tamaño que son la
trituración y la molienda ya que, en ambos casos, son responsables de 50-65% del consumo
de electricidad.
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Estas dos etapas tuvieron un impacto mucho más alto en la minería tradicional, con un valor
del eco-indicador de 399 puntos contra 1,81 para el caso del reciclaje. Esto es debido a la
cantidad importante de energía que se requiere para el proceso tradicional.
Utilidad del plástico
Este es el caso de los RE que tienen un contenido aproximado del 76% de plástico en su
estructura. Este plástico funciona como un sustituto del combustible requerido para la
refinación de los metales presentes en estos residuos (Tangea, 2005). Los RE tienen dentro de
su composición Polietileno y Polipropileno, cuya capacidad calórica supera en
aproximadamente un 30% al coque usado en procesos de fundición (Zuo, 2011).
En la planta de investigación de la empresa UMICORE se realizó una prueba a gran escala
para determinar la influencia de usar RE con alto contenido de plástico en el consumo de
coque. En el experimento se usaron 250 toneladas de RE. Al trabajar con cero plástico se
adicionó 4,5% del peso total en coque para realizar la fundición, mientras que al trabajar con
un 6% de plástico de RE la cantidad añadida de coque no supero el 1% (Cui y Zhang, 2008).
Estudios realizados demuestran que las emisiones contaminantes (dioxinas, furanos y vapores
metálicos) asociadas al proceso de reciclaje de RE pueden situarse muy por debajo de los
límites europeos al usar sistemas adecuados de tratamiento de gases. Adicionalmente la
presencia de retardantes bromados de flama no incrementa la generación de dichos
contaminantes (Tangea, 2005).
Esto enfatiza el potencial de aprovechamiento energético de los RE y sus beneficios en la
reducción de combustibles fósiles.
CONCLUSIONES
La producción de metales por fuentes secundarias permite un ahorro energético importante
que puede alcanzar 90% para ciertos metales. Estas fuentes se constituyen de productos de
mayor concentración en metales que los minerales usados en el proceso tradicional.
El proceso de minería urbana de RE, además de permitir un ahorro energético asociado a la
producción secundaria de metales, también permite aprovechar el plástico como material con
importante poder calorífico. Las emisiones de contaminantes al ambiente son mínimas al
trabajar con sistemas adecuados de tratamiento de gases (Vehlow et al., 1997).
Además de usar los plásticos de los RE en procesos de recuperación de metales, también se
los puede usar en otro tipo de proceso como la producción de cemento y la generación de
energía térmica, siempre y cuando se cuenten con sistemas adecuados de tratamiento de gases.
Ecuador podría intentar desarrollar esta fuente de metales que tiene ventajas mucho más allá
del ahorro energético. Algunos de los beneficios son la disminución del pasivo ambiental, de
las emisiones de los gases de efecto invernadero, del volumen de desechos y de los riesgos
para la salud; el aumento del tiempo de vida de los rellenos sanitarios y el cambio en la matriz
productiva.
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