Aprovechamiento energ tico de los residuos

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE LOS RESIDUOS
JULIO MONTES PONCE DE LEON
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
1
RESIDUOS GENERADOS EN EUROPA EN 2002
„
RESIDUOS INDUSTRIALES
„
„
„
„
„
INDUSTRIA MINERA (664 KG/PERSONA)
INDUSTRIA MANUFACTURERA (944 KG/PERSONA)
INDUSTRIA ENERGÉTICA Y DE PR0DUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE
AGUA (281 KG/PERSONA)
CONSTRUCCIÓN (1126KG/PERSONA)
0TROS (38 KG/PERSONA)
„
RESIDUOS AGRÍCOLAS Y FORESTALES (64 KG/PERSONA)
„
RESIDUOS MUNICIPALES (531 EN KG/PERSONA)
„
„
„
„
SÓLIDOS
LIQUIDOS
RESIDUOS NUCLEARES
RESIDUOS PELIGROSOS (129 KG/PERSONA)
2
RESIDUOS AGRICOLAS Y FORESTALES I
„
HERBACEOS (4000 kcalorias/kg)
„
„
„
CULTIVOS LEÑOSOS
„
„
„
„
VIÑEDO
OLIVAR
FRUTALES
RESIDUOS AGROINDUSTRIALES
„
„
„
„
CEREALES
GIRASOL
RESIDUOS DE ALMAZARAS (3600 kcalorias/kg)
RESIDUOS DE BODEGAS (2000-2500 kcalorias/kg)
RESIDUOS INDUSTRIA AGROALIMENTARIA
RESIDUOS FORESTALES
„
ENTRESACA Y PODA
3
RESIDUOS AGRICOLAS FORESTALES II
ENERGÍA PRIMARIA DE ACUERDO CON EL PLAN DE ENERGÍAS
RENOVABLES
OBJETIVO 2010 (TEP)
RECURSOS
RESIDUOS FORESTALES
462.000
RESIDUOS AGRÍCOLAS LEÑOSOS
670.000
RESIDUOS AGRÍCOLAS HERBACEOS
660.000
RESIDUOS INDUSTRIAS FORESTALES
670.000
RESIDUOS INDUSTRIAS AGRÍCOLAS
670.000
CULTIVOS
1 908.300
APLICACIONES
TERMICAS
582.514
ELECTRICAS
4.457.786
4
CONSUMO ENERGETICO DE EUROPA
5
RECUPERACIÓN ENERGÉTICA DE LOS RESIDUOS
TERMOQUÍMICOS
COMBUSTIÓN
PIROLISIS
GASIFICACIÓN
BIOQUIMICOS
FERMENTACIÓN
QUIMICOS
SEPARACIÓN Y RECICLADO
6
CONVERSIÓN DE LOS RESIDUOS EN ENERGÍA I
„
COMBUSTIÓN
„
„
„
„
¾ DE LA ENERGÍA DE COMBUSTIÓN SE PRODUCE EN LOS
PRODUCTOS VOLÁTILES
CALDERAS CONVENCIONALES:
„
BAJA EFICIENCIA (15-20%)
„
NOX
„
POTENCIA 1-10 MWe
„
COSTE 2-2,5 M€/kW
COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDIZADO
„
BUENA EFICIENCIA (35%)
PIRÓLISIS
„
„
„
„
„
CONVENCIONAL 400 A 500 ºC SIN AIRE
PIRÓLISIS RÁPIDA 800 A 900 ºC (10% DE SÓLIDO 60% GAS )
BUENA EFICIENCIA(35 %)
POTENCIA < 50 MW
COSTE 0,8-1,0 M€/MWe
7
CONVERSIÓN DE LOS RESIDUOS EN ENERGÍA II
„
GASIFICACIÓN CON PRODUCCIÓN DE CO, H, y CH4
„
„
„
„
„
CON VAPOR DE AGUA Y AIRE
CON VAPOR DE AGUA Y OXIGENO
BAJA EFICIENCIA (35%)
„
10-20 MWe
„
1,5-2,0 M€/MWe
ALTA EFICIENCIA (con ciclo combinado)
„
15-20 MWe
„
COSTE 2,5
DIGESTIÓN ANAEROBIA DESCOMPOSICIÓN BACTERIANA DE
LA MATERIA ORGÁNICA EN AUSENCIA DE AIRE
„
„
DIGESTORES (CONTENIDO DE METANO DEL 50 AL 70 % CON UNA
EFICIENCIA DEL 60%)
VERTEDEROS CONTROLADOS
8
RECUPERACIÓN ENERGÉTICA DE LOS RESIDUOS
SÓLIDOS MUNICIPALES
„
„
CARACTERIZACIÓN DE LOS RESIDUOS
LEGISLACIÓN
„
„
„
INCINERACIÓN
„
„
„
„
NACIONAL
AUTONOMICA
FORMAS DE COMBUSTIÓN
CONSIDERACIONES AMBIENTALES
GASIFICACIÓN
METANIZACIÓN
„
„
VERTEDEROS CONTROLADOS
DIGESTIÓN ANAEROBIA
9
PROPIEDADES DE LOS RSU
COMPOSICIÓN %
HUMEDAD %
CENIZAS %
PODER CALORÍFICO
SUPERIOR KCAL/Kg
FRACCIÓN ORGANICA 48,9
70
5
4.000
PAPEL Y CARTON……….18,5
10,2
5.4
4.200
PLASTICOS………………..11,7
0,2
2
9.000
MADERA……………………..0,6
20
0,6
4.300
VIDRIO…………………….. 7,6
2
99
39
CELULOSA………………….2,0
60
0,5
4.000
TEXTILES…………………..3,7
10
6,5
5.000
METALES……………………4,1
0
99
200
VALORES MEDIOS
40-60
10-30
4.200
10
FOSO DE
ALMACENAMIENTO
TOLVA DE
ALIMENTACIÓN
HORNO
HORNO
HORNO
ALIMETANCIÓN DE
AIRE PRIMARIO
INYECCIÓN DE
ARENA
ALIMENTACIÓN DE
AIRE SECUNDARIO
INYECCIÓN DE
CALIZA
INYECCIÓN
DE FUEL OIL
TURBINA
SISTEMA DE RECOGIDA
DE ESCORIAS
CALDERA
HIDRÓXIDO CÁLCICO
AERO CONDENSADOR
ECONOMIZADOR
CICLONES
CARBON ACTIVO
ABSORBEDOR
FILTRO DE MANGAS
CHIMENEA
CENIZAS
ALTERNADOR
ENERGÍA ELÉCTRICA
11
EVOLUCIÓN DEL TRATAMIENTO DE RSU
Vertedero
controlado
Mt
Incineración
Mt
AÑO
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
EU-15
106,1
106,9
105,2
105,5
105,7
104,0
100,3
98,5
ESPAÑA
11,7
12,6
12,6
13,1
13,6
14,7
14,7
15,0
EU-15
84
88
89
95
99
102
106
108
ESPAÑA
1,0
1,4
1,5
1,4
1,5
1,5
1,6
1,6
12
RECUPERACIÓN ENERGETICA DE LOS RESIDUOS LÍQUIDOS
URBANOS
PRETATAMIENTO FISICO
TRATAMIENTO PRIMARIO
TRATAMIENTO SECUNDARIO
TRATAMIENTO AVANZADO
TRATAMIENTO DE LOS
LODOS
13
DIGESTIÓN ANAEROBIA
„
PROCESO
MATERIA ORGANICA + H2O
APLICACIONES
CH4 + CO2 + BIOMASA + NH3 + H2S +CALOR
• FRACCIÓN ORGANICA DE LOS RSU
• LODOS DE DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES
• RESIDUOS AGROPECUARIOS
• RESIDUOS AGRICOLAS
14
RECUPERACIÓN ENERGETICA DE LOS RESIDUOS
NUCLEARES
„
„
La energía nuclear puede contribuir positivamente al suministro de energía
sostenible pero existe la necesidad de eliminar residuos radioactivos que se
puedan producir. Los residuos contienen elementos fisionables
Se estima que en la hipótesis de que para el año 2010 existan 400 GWe
eléctricos nucleares habría una cantidad de residuos radioactivos como la
indicada en la tabla 1.
Total de elementos combustibles 300.000 toneladas
Actinidos
Isótopos de Plutonio
3000 toneladas
Isótopos del Neptunio
140 toneladas
Americio y otros actínidos
120 toneladas
Fragmentos de fisión de vida larga
Tc-99
250 toneladas
Cs-135
90 toneladas
I-129
60 toneladas
15
IMPACTO AMBIENTAL DE LOS RESIDUOS NUCLEARES
16
TRANSMUTACIÓN
„
„
„
„
„
La primera transmutación de elementos fue realizada por
Rutherford en 1919 que transmutó N14 en O17 utilizando
partículas α muy energéticas
En 1933, I. Curie y F. Joliot produjeron los primeros isótopos
radioactivos transmutando boro y aluminio oxígeno y
nitrógeno radioactivos utilizando igualmente partículas α
El desarrollo de los aceleradores y de los reactores dio origen a
múltiples procesos de transmutación.
Existe la posibilidad de transmutar “incinerar” los actínidos y los
productos de fisión de vida larga en elementos de menor riesgo
radioactivo
Tc99 [ 2.1 x 105 a ] + n → γ + Tc100 [15.8 seg ] → β +
Ru100 [estable]
17
AMPLIFICADOR DE ENERGÍA
PRODUCTOS FISIÓN
EN AGUA PESADA
MATERIAL
FÉRTIL EN DO2
U-233
Th-232
HAZ
PROTONES
BLANCO DE
ESPALACIÓN
ACTINIDOS EN SAL
FUNDIDA
PRODUCTOS
FISIÓN
18
EXPERIENCIAS DE TRANSMUTACIÓN CON ACELERADORES
„
Se han realizado diversas experiencias para optimizar la transmutación
de actínidos y productos de fisión en:
„
„
„
„
„
USA se utilizó en Los Alamos (1991)un reactor subcrítico con fuente de
espalación de plomo producida por un acelerador lineal . El proyecto se
denominó ATW ( Accelerator for Transmutation of Wastes)
Japón está realizando estudios desde los 80 de transmutación en
reactores subcríticos con aceleradores dentro del programa denominado
OMEGA
Francia estableció un grupo de investigación en 1966 relacionado con los
sistemas híbridos de transmutación con aceleradores
El CERN realizó en 1994 un experimento con protones de alta energía
producidos por un ciclotrón que inciden sobre un blanco situado en un
conjunto subcritico que utilizaba Th-232 mezclado con U-235
En el CERN se realizaron en 1999 una serie de experimentos en los
obtuvieron resultados que demostraban la factibilidad de eliminar los
productos de fisión de vida larga mediante un sistema subcritico acoplado a
un acelerador
19
BLANCO DE ESPALACIÓN
„
„
Interacción de partículas de gran energía (varios decenas de Mev a varios Gev)
con un blanco nuclear ( cascada intranuclear) en la que el núcleo blanco queda
excitado descomponiéndose en varios nucleones, la mayor parte neutrones.
Las características del blanco son:
„
„
„
„
„
Eficiencia alta en la producción de neutrones
Alteración estructural y activación residual pequeña
Capacidad de refrigeración del calor generado (1 a 10 MW)
Mínima producción de residuos radioactivos.
Se emplean blancos de Pb o una aleación de Pb-Bi. En el caso de emplear un
mezcla eutectica de Pb-Bi los principales productos son
Isótopo
Po-210
Po-208
Bi-207
Hg-203
Vida media
138.3 d
2.93 d
30 a
46 d
Isótopo
Po-209
Bi-208
Tl-204
Hg-194
Vida media
103 a
3.7 x 10 5 a
3.77 a
1.9 a
20
AMPLIFICADOR DE ENERGÍA
„
„
„
„
„
„
El sistema acelerador mas conjunto subcrítico se comporta como
amplificador de energía.
Si se producen 30 neutrones por el proceso de espalación para
protones de 1 GeV en blanco de plomo y kef = 0.98, se producirán
1500 neutrones capaces de producir fisión
Suponiendo que en cada fisión se liberan 200 MeV, se tiene en total
1500 x 200 Mev = 300 GeV por cada protón de 1 GeV
Si esa energía se convierte en energía eléctrica con una eficiencia del
40% se obtiene una energía de 120 GeV cuando se ha invertido una
energía de 2 GeV para producir el correspondiente protón .
La eliminación del plutonio y otros actínidos produce una gran energía
940 MW x día por 1 kilogramo. Como se pueden producir fisiones en el
U-233, se puede estimar la energía liberada por los procesos de fisión
1200 MW x día por cada kilogramo de actínidos
Una central nuclear 1 GW eléctrico produce unos 900 GW día de
energía térmica y un total de actínidos de 271 kg. Que podrían
generar 271 x 1200 = 325,2 GW día
21
ENERGÍA LIBERADA EN UN AMPLIFICADOR DE ENERGÍA
22
SISTEMA DE AMPLIFICADOR DE ENERGÍA
23
INSERCIÓN DE LOS RESIDUOS NUCLEARES EN LA
GENERACIÓN ENERGÉTICA
24
ACUMULACIÓN DE PLUTONIO CON AMPLIFICADOR DE
ENERGÍA
25