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. [email protected] 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 World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 1 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC 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. World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 2 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC 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 - 1 Cifras de 2010 estimadas por autor World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 3 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC 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] World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 4 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC 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 World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 5 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC 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. World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 6 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC 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. World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 7 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC 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 World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 8 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC 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) World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 9 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR Capítulo 2 - Energía y cambio climático-ECC 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 “Copyright © 2010. “Name of author”: The author assigns to UADI/CAI a license to reproduce this document for the congress purpose provided that this article is used to publish in full or in an abbreviated or edited form in the congress Internet website, on CD and in printed form within World Congress and Exhibition: ENGINEERING 2010-ARGENTINA’s proceedings.” World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 10 October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR