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Valorización de subproductos en la gestión municipal - Xavier Elias

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Valorización de subproductos en la gestión municipal - Xavier Elias - Conexión Reciclado
Día: Lunes 4 de abril
Horario: 10:00 a 12:00hs
Lugar: Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de La Plata |Edificio Central, Calle 1 y 47| La Plata

Published in: Environment
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Valorización de subproductos en la gestión municipal - Xavier Elias

  1. 1. VALORIZACIÓN DE SUBPRODUCTOS: CASOS EXITOSOS NACIONALES E INTERNACIONALES. Dr. Xavier Elias Castells. Consultor Internacional Ex director de la Bolsa de Subproductos de Catalunya. La Plata, 4 de abril de 2016
  2. 2. VALORIZACIÓN DE SUBPRODUCTOS: CASOS EXITOSOS NACIONALES E INTERNACIONALES. 1ª Parte. Residuos Industriales. 2ª Parte. Residuos Urbanos. Residuos, Subproductos o Recursos?
  3. 3. PRINCIPIOS DE LA ECONOMÍA LINEAL Nutrientes tecnológicos DESARROLLO SOSTENIBLE Contaminación aguas Gases de efecto invernadero PROMOVER CRITERIOS DE SOSTENIBILIDAD Agotamiento recursos Contaminación Reducción de gases de efecto invernadero. Promover una economía baja en carbono. Reducir la contaminación de aguas, suelos, .. ECONOMÍA LINEAL
  4. 4. La Bolsa de Subproductos es una herramienta para potenciar la Economía Circular. En un futuro deben incluirse criterios de economía circular en las autorizaciones de actividad así como en la contratación pública. LA BOLSA DE SUBPRODUCTOS COMO PARADIGMA DE LA MODERNA ECONOMÍA CIRCULAR residuo Valorización cerámica Nuevo material consumo
  5. 5. 5 INCINERACIÓN Y RECICLAJE. Tal y como muestra el gráfico, los países europeos que mas incineran son también los que mas reciclan. La Directiva marco de residuos 98/2008 en su articulo 11 fija, para 2020, un 50% de reciclaje y reutilización de los RSU. Con la fracción resto lo mas aconsejable es la valorización energética. Incineración Vertido Reciclado Compostado
  6. 6. MODALIDADES DEL WtE (Waste to Energy). El Waste to Energy permite sistemas directos (si el RSU es combustible) o indirectos. Residuos Sólidos Urbanos Sistemas de WtE Electricidad Calor y/o frío CSR CDR PROCESO CATALÍTICO Electricidad Gasóleo Combustible líquido Combustible (sustituto carbón) Combustible (sustituto carbón) Bio alcoholes
  7. 7. La energía embebida en los procesos de valorización. Tecnologías adecuadas para la valorización de residuos. Ejemplos.
  8. 8. LOS SMART-MATERIALES La fabricación de materiales de construcción está unido a la eficiencia energética en la vivienda. MATERIALES RECICLAJE Materiales modificados Disminución residuos ENERGÍA Materias primas vírgenes Residuos (materiales recuperados) Energía embebida Propiedades térmicas Materiales con baja Huella de carbono “SMART-MATERIALES” Consecuencias: “Smart-cities” Ahorro de energía Eficiencia energética En la edificación Disminución del efecto “isla de calor” 8
  9. 9. LOS MATERIALES EN CLAVE DE CONSUMO Y RECURSOS Desde el punto de vista del impacto ambiental y energético, los materiales de construcción podrían clasificarse según procedan de: • MINERÍA METÁLICA • MINERÍA EXTRACTIVA NO METÁLICA • MINERÍA ENERGÉTICA (Plásticos) • RECURSOS FORESTALES • RECICLAJE 93% 4%3% 9
  10. 10. QUE ES LA ENERGÍA EMBEBIDA Es la energía involucrada en un material, producto o elemento requerida para extraer y procesar las materias primas, manufacturar el producto y transportar el material y el producto hasta su punto de uso. 10 Impactos ambientales
  11. 11. LA ENERGIA EMBEBIDA EN FABRICACIÓN Y LA TOTAL EN LOS MATERIALES CORRIENTES. El gráfico siguiente muestra la diferencia (no ponderada) de las energía embebidas en fabricación y las finales cuando el material se halla en obra. 11 Material EE Fabricación kWh/kg EE total kWh/kg Cerámica, hormigón, vidrio 1,1 1,8 Poliméricos 19,5 43,8 Acero y aluminio 0,6 2,3
  12. 12. DISEÑO PARA EL RECICLAJE La metodología de diseño para el reciclaje incorpora criterios de reciclaje y recliclabilidad en la fase de diseño de los materiales. Esta variable no debe afectar a las propiedades del producto. • Productos reciclados son los que se producen con materiales reciclados. • Productos recliclables son los que se fabrican para ser reciclados al final de su vida útil (por ejemplo se prescinde de materiales peligrosos). Ladrillos fabricados con lodos de EDAR 12
  13. 13. CUANTIFICACIÓN DE LAS FASES AMORFAS POR TECNOLOGIAS Y POSIBILIDADES DE RECICLAJE. El gráfico muestra, en valores porcentuales, las cantidades mínimas y máximas habituales en: • Los materiales cerámicos • El clínker • El vidrio 0% 50% 100% 150% Cerámica Clinker Vidrio Máximo Minimo 13
  14. 14. ECOBRICK. LADRILLO AISLANTE FABRICADO CON FANGO DE EDAR El fango de EDAR contiene por término medio un 70 % de humedad y su fracción seca esta compuesta por materia orgánica e inorgánica en proporciones que dependen del proceso de tratamiento a que haya sido sometido. Durante la cocción los compuestos orgánicos del fango: celulosa, lignina, grasas, microorganismos patógenos, etc. se destruyen y en su lugar se crean unos poros cerrados que darán lugar a sus propiedades térmicas. Los componentes inorgánicos: arcillas, tierras, metales pesados, etc. quedan insertados en la matriz vítrea del cuerpo cerámico y, por tanto, inertizados.
  15. 15. SUSTRATOS Y SOPORTES En términos agrícolas un substrato es un portador de nutriente. El caso mas conocido es la turba. El soporte es el acumulador de líquido. Para acumular líquido es imprescindible una frondosa estructura porosa . Poro cerrado: a Poro abierto: b, c, d, e, f
  16. 16. FABRICACIÓN DE SUSTRATOS AGRÍCOLAS A PARTIR DE RESIDUOS: PLÁSTICO CON FIBRA DE VIDRIO. La foto de la parte superior muestra la forma física del substrato. La foto inferior muestra el sustrato en el interior de sacos y cultivando lechugas en el IRTA.
  17. 17. LAS MEZCLAS CON CEMENTO Los adoquines “Lurgain”, son mezclas de cemento con residuos que cumplen las UNE 127-015, de resistencia mecánica y a la abrasión. La densidad es de 2.300 kg/m3 y de colores. 17
  18. 18. RECICLADO DE LOS PLÁSTICOS Reciclado mecánico Lavado, triturado y extrusión (prensado). Tiene un coste relativamente elevado. Sirve para fabricar componentes para mobiliario urbano, vallas, tuberías o material de embalaje. Reciclado químico Intenta reconvertir los plásticos en sus monómeros originales. Se utilizan métodos térmicos de calentamiento para romper los enlaces de las largas cadenas de polímeros. La gasificación y la hidrogenación son las que tienen mejor futuro. Reciclado energético En la mayoría de países el sistema de valorización energética es la incineración. En otros se usa como combustible en las cementeras.
  19. 19. 19 DESPOLIMERIZACIÓN CATALÍTICA A relativamente baja temperatura y con la ayuda de catalizadores se obtienen resultados aceptables (de residuos con mucho carbono). Balance de masas ENTRADA Neumaticos 1.000 kg/h SALIDA Gasoil 600 l/h 534 kg/h Coque 400 kg/h Gases 66 kg/h Pérdidas - TOTAL 1.000 kg/h Balance de energía ENTRADA Neumaticos 8.843.000 kcal/h SALIDA Gasoil 534 kg/h 5.340.000 kcal/h Coque 400 kg/h 2.200.000 kcal/h Gases 66 kg/h 330.000 kcal/h Pérdidas 973.000 kcal/h TOTAL 8.843.000 kcal/h
  20. 20. GOMA Y CAUCHO Una vez triturado, el neumático puede añadirse al firme de carretera bajo dos sistemas: • Vía seca: con granulometría gruesa (máximo 1 mm). La goma substituye el árido (como máximo de un 3% en peso). • Vía húmeda: con tamaño muy fino (< 0,7 mm) se añade a la fracción bituminosa. La cantidad a añadir es del orden del 10% en peso sobre la masa de betún. También puede valorizarse como: • Polvo seco para aplicaciones en tarimas, baldosas, alfombras, etc. • Pirólisis catalítica para petrogasoil.
  21. 21. Sistemas de valorización del vidrio recuperado. La vitrificación como sistema para la valorización de residuos peligrosos.
  22. 22. LOS VITRIFICADOS El proceso, de forma resumida, consiste en mezclar: • Un formador de vidrio, el cuarzo es el más habitual, aún que puede ser el boro o el fósforo. • Un modificador del retículo, formado por el flujo fundente, a los que pueden añadirse los metales pesados que se desea inertizar. El conjunto se echa en un horno que se calienta hasta llegar a la fusión total. El enfriamiento brusco colapsa la estructura vítrea y la convierte en un sólido inerte. Una variante de este sistema es el "vitrificado in situ“. Encapsulado Vitrificado: Unión físico-química en la red vítrea O Al Contaminante SiK
  23. 23. OTRAS VÍAS DE RECICLAR VIDRIOS Fabricación de esferas reflectantes: Se trata de unas microesferas de vidrio que se añaden a las pinturas de señalización horizontal para aumentar el poder reflectante por la noche. Vidrio celular: Esta fabricado con vidrio y carbono y contiene millones de burbujas atrapadas que confieren propiedades de baja densidad y aislamiento térmico. Las “burbujas” se pueden obtener con residuos. Es impenetrable por líquidos y vapores.
  24. 24. LOS RESIDUOS DE RAEE: MONITORES DE PANTALLAS. En 2014 cada europeo generó 18 kg/año y se espera que en 2017 esta cifra casi se doble. La normativa europea exige recuperar un mínimo de 4 kg/persona y año.
  25. 25. VITRIFICACIÓN DE FANGOS DE EDAR CON METALES PESADOS. Los fangos de EDAR tienen alrededor del 35% de materia inorgánica. La caracterización de la fracción residual, después de incinerar o gasificar es compatible con los óxidos vitrificadores. Se puede hacer grava y/o pavimento.
  26. 26. VITRIFICACIÓN DE POLVOS DE MINERÍA CON ARSÉNICO. La foto muestra una serie de baldosas vitrificadas con polvos de arsénico. Éste está inserto en la matriz química del silicato sin ninguna posibilidad de lixiviar. Es posible fabricar, como muestra la foto, diferentes formatos y diversos acabados superficiales.
  27. 27. TEJAS VITRIFICADAS CON PROPIEDADES FV La foto de la figura muestra un soporte de vidrio sobre el que se ha aplicado un sustrato conductor (Cu, Mo,…) por CPD (Chemical Plasma Deposition). Seguidamente se deposita la capa absorbedora: el elemento activo dador de electrones (sales de Cu, Se, S) u otra combinación (Sn, Sb, Cu).
  28. 28. VALORIZACIÓN DE LA CASCARILLA DE ARROZ Esta compuesta por celulosa, lignina y otros compuestos orgánicos. En algunas zonas se utiliza como combustible, ya que tiene un poder calorífico del orden de las 3.500 Kcal/kg. La combustión de la corteza de arroz produce una media del 20% de cenizas con un gran porvenir ya que es un claro sustituto, o aditivo, del cemento en la formulación de hormigones. Tienen propiedad puzolánica . 28
  29. 29. 2ª Parte La gestión sostenible de los RSU. Los CDR (Combustibles Derivados del Residuo).
  30. 30. PIB Y GENERACIÓN DE RSU La generación del RSU es una función del PIB per cápita en todo el mundo. A medida que aumenta el PIB per cápita se incrementa la generación de residuos. 0 200 400 600 800 Generación kg/ha año PIB per capita (€x100/año)
  31. 31. PIB CARACTERIZACIÓN DEL RSU En el RSU pueden distinguirse tres fracciones básicas que condicionan la gestión de los mismos: • Materia orgánica fermentable. • Fracción combustible (envases y embalajes). • Inertes y cenizas. La gráfica muestra los valores en porcentaje según el PIB per cápita en €/habitante y año 0 20 40 60 80 35000 24000 10000 5000 Fermentable Combustible Inertes
  32. 32. LOS MODELOS DE GESTIÓN DE LOS RSU Los modelos de gestión de RSU son: • Recogida selectiva (modelo muy variable). • Valorización energética (electricidad o calor). • Vertido. RECOGIDA SELECTIVA Fracciones recuperadas RECICLAJE Fracción resto VALORIZACIÓN ENERGÉTICA INCINERACIÓN Electricidad Calor/frío Fracción resto GASIFICACIÓN Biocarburante Fracción resto VERTIDO EN MASA VERTEDEROS SEGUROS VERTEDEROS PELIGROSOS
  33. 33. LA RECOGIDA SELECTIVA Y EL RECICLAJE RSU 30% Recogida selectiva Recuperación Fracción resto 70% Recogida en masa/rechazo Biosecado / Compost Vertido TRATAMIENTO Fracción fermentable Fracción resto Valorización energética SELECCIÓN En la UE, la tendencia en la gestión tiende a aumentar la recogida selectiva. En Alemania se ha llegado al 48% de valorización.
  34. 34. LAS VIAS DE TRATAMIENTO DE LOS RSU El tratamiento de los RSU se halla íntimamente relacionado con su caracterización. En la UE esta prohibido verter o incinerar los RSU sin tratamiento previo. Cantidad mayoritaria de fermentable Cantidad mayoritaria de combustible Relleno sanitario Digestores anaerobios Solución Avanzada CSR- Bioalcoholes Recogida selectiva Soluciones Avanzadas CDR-Bioalcoholes Incineración
  35. 35. LOS TRATAMIENTOS MECÁNICOS – BIOLÓGICOS (MBT). RSU CLASIFICACIÓN MECÁNICA Metales CDR: Plásticos y papeles Fermentables Rechazo > 50% DIGESTIÓN ANAEROBIA Biogás Lodos Compost de Mala calidad Bioestabilizado
  36. 36. LOS TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS - MECÁNICOS. RSU Predigestión aerobia Metales CDR: Plásticos Rechazo < 10% CLASIFICACIÓN MECÁNICA CSR: Fibra CSR PCI: 3.100 kcal/kg Humedad < 15% Densidad: 200 kg/m3 CDR PCI: 5.500 kcal/kg Humedad < 15% Densidad: 100 kg/m3
  37. 37. ESCENARIOS DE VALORIZACIÓN DE LA FRACCIÓN “FERMENTABLE”. La fracción fermentable y lignocelulósica, una vez ha sido sometida a la predigestión aeróbia, tiene diversas opciones de valorización. CSR verde Secado Coque Catálisis pirolítica Gasóleo Electricidad Materia prima cerámica Combustible Fibra para Papel/cartón CSR – Verde PCI: 3.100 kcal/kg Humedad : 20% Densidad: 200 kg/m3 Impropios: 5% a 15%
  38. 38. FABRICACIÓN DE LADRILLOS AISLANTES Y DE BAJA HUELLA DE CARBONO Con la introducción de CSR en la masa arcillosa se logra un material mas ligero (20%) y aislante. Si, además, se emplea este CSR como combustible, la huella de carbono es, prácticamente, nula. Densidad % CSR Kg/m3 2.025 0% 1.930 2,5% 1.745 5,5% 1.635 8,0%
  39. 39. OPCIONES DE VALORIZACIÓN DE LA FRACCIÓN NO FERMENTABLE La fracción no fermentable, constituida por plásticos y textiles, una vez seca y triturada, puede tener las siguientes aplicaciones. CDR Secado Coque Despolimerización catalítica Gasóleo Electricidad Combustible CDR PCI: 5.800 kcal/kg Humedad : 20 % Densidad: 100 kg/m3
  40. 40. EMPLEO DE CDR COMO COMBUSTIBLE. La tabla muestra los porcentajes de sustitución de combustibles fósiles por CDR en los principales países europeos. Los datos, promediados, hacen referencia al período 2006- 2011.
  41. 41. La valorización energética y los sistemas de conversión de la materia orgánica. Exigencias de rendimiento de la UE (Directiva 89/2008).
  42. 42. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA INCINERACIÓN El esquema de la figura muestra el rendimiento térmico de una instalación de incineración. Admitiendo que el rendimiento del conjunto horno-caldera es del 85 % y el de turbina vapor- alternador del 20/22 %, el conjunto arroja un rendimiento global próximo al 18/20%, si la potencia es superior a 10 MW, de lo contrario los rendimientos bajan mucho. El problema mas significativo es la condensación del vapor que absorbe, aproximadamente el 75% de la energía del vapor. INCINERADORA100 kW CALDERA 15 kW 85 kW 21 kW Si > 10 MW 24 kW Vapor 64 kW
  43. 43. ORC: EL CICLO ORGÁNICO DE RANKINE Está pensado para generar energía eléctrica a partir de fuentes de calor residuales a baja temperatura. El vapor que hace girar la turbina no es agua sino un hidrocarburo. A bajas potencias presenta mejores rendimientos que la turbina de vapor. El funcionamiento es mas seguro (menos averías). INCINERADORA100 kW INTERCAMBIADOR (Gas – Aire) 15 kW 85 kW 13 kW 39 kW Aire INTERCAMBIADOR (Aire-Agua sobrecalentada) Grupo OCR Calor Condensador 33 kW
  44. 44. DESPOLIMERIZACIÓN CATALÍTICA La temperatura rompe los largos enlaces poliméricos y con la ayuda de un catalizador se descompone, en ausencia de aire, en los componentes básicos: • Gases (hidrocarburos incondensables). • Vapores condensables (gasóleos). • Coque: fracción sólida. Coque Despolimerización pirolítica Gasóleo MOTOR Electricidad CDR (polímeros) Gases 100 kW Pérdidas Pérdidas 55 kW 27 kW 6 kW12 kW 21 kW 55 kW 15 kW 6 kW Agua refrigeración Gses 13 kW
  45. 45. RENDIMIENTO ELÉCTRICO DE LA GASIFICACIÓN. El material a gasificar debe ser razonablemente homogéneo. El gas de síntesis debe entrar frío y libre de alquitranes en el motor. GASIFICACIÓN MOTOR Electricidad RESIDUOS Escorias 100 kW Pérdidas 1 kW 26 kW 75 kW 24 kW 3 kW Agua refrigeración Gses 22 kW Gas de sintesis Lavado y enfriado
  46. 46. RENDIMIENTOS EN FUNCIÓN DE LA POTENCIA Se supone que la energía entrada al sistema es la misma: Los parámetros de referencia son: • Turbina vapor: Temperatura vapor de 350ºC. • ORC. Temperatura agua sobrecalentada 160ºC. • Motor gas vertedero. Rendimiento motor 35%. Rendimiento tasa recuperación: 10%. 0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 200 1200 2200 3200 4200 5200 6200 7200 8200 9200 Rendimiento Potencia en kW Rendimiento eléctrico según potencia Turbina vapor Grupo ORC Landfill gas
  47. 47. POSIBILIDADES DE UTILIZACIÓN FINAL DEL GAS DE SÍNTESIS El objetivo último de un proceso de conversión energético es transformar el residuo orgánico en energía. La etapa final del proceso de gasificación es la obtención de un gas de síntesis. A partir de él las posibilidades de transformación energética son las indicadas en el esquema siguiente. Compresor Gasificador quemador RESIDUO CALDERA + TURBINA VAPOR CALDERA Energía térmica BIOCARBURANTES 2ª GENERACIÓN MOTOR TURBINA DE GAS + (TURBINA VAPOR) ACONDICIONAMIENTO DE LOS GASES
  48. 48. OTRAS ALTERNATIVAS PARA LOS RSU El proceso desarrollado por ENERKEM, consiste en: • Clasificación y trituración (recuperación de materiales reciclables) y secado. • Gasificación de la fracción resto. • Tratamiento del gas de síntesis. • Síntesis del etanol. El producto final, el etanol, se usa para las gasolinas oxigenadas.
  49. 49. COMBUSTIBLES DE SEGUNDA GENERACIÓN. A partir del típico CDR (ver análisis elemental), se genera un gas de síntesis para obtener metanol y/o etanol. CDR % peso C 52,0% H 7,3% O 32,3% N 0,9% S 0,2% Cl 0,5% Inertes 6,9% TOTAL 100,0% Humedad 15,0% GASIFICACIÓN CH3OH 450 l/t CDR seco H2O pura CO2 NH4 Char e inertes El uso de combustible elaborado a partir de RSU permitirá reducir más de un 80% las emisiones a la atmósfera. American Airlines
  50. 50. CONCEPTO DE BIORREFINERIA. En Westburry (Canadá), ENERKEM ha construido una planta para la producción de metanol a partir de diversas materias residuales: • Madera creosotada. • CDR En Edmonton una planta Para 15 t/h de CDR 50
  51. 51. DEMANDA DE METANOL La demanda de metanol en el mundo sigue creciendo. El destino para carburantes es solo del 33%. Se espera que en 2020 se alcancen los 100 millones de toneladas. 51
  52. 52. Residuos y subproductos.
  53. 53. SUBPRODUCTOS Artículo 5 Directiva 2008/98/EC Se reconoce que una materia resultante de un proceso industrial, no sea considerada residuo sino subproducto si cumple las siguientes condiciones: a) es seguro que la sustancia u objeto va a ser utilizado ulteriormente; b) la sustancia u objeto puede utilizarse directamente sin tener que someterse a una transformación ulterior distinta de la práctica industrial normal; c) la sustancia u objeto se produce como parte integrante de un proceso de producción; y d) el uso ulterior es legal, es decir la sustancia u objeto cumple todos los requisitos pertinentes para la aplicación específica relativos a los productos y a la protección del medio ambiente y de la salud, y no producirá impactos generales adversos para el medio ambiente o la salud humana.
  54. 54. FIN DE LA CONDICIÓN DE RESIDUO Artículo 6 Directiva 2008/98/EC 1. Determinados residuos específicos dejarán de ser residuos, en el sentido en que se definen en el artículo 3, punto 1, cuando hayan sido sometidos a una operación, incluido el reciclado, de valorización y cumplan los criterios específicos que se elaboren, con arreglo a las condiciones siguientes: a) la sustancia u objeto se usa normalmente para finalidades específicas; b) existe un mercado o una demanda para dicha sustancia u objeto; c) la sustancia u objeto satisface los requisitos técnicos para las finalidades específicas, y cumple la legislación existente y las normas aplicables a los productos; y d) el uso de la sustancia u objeto no generará impactos adversos globales para el medio ambiente o la salud. Los criterios incluirán valores límite para las sustancias contaminantes cuando sea necesario y deberán tener en cuenta todo posible efecto medioambiental nocivo de la sustancia u objeto.
  55. 55. Conclusiones: La Bolsa de Subproductos y las nuevas tecnología aportan muchas herramientas para optimizar la gestión de los residuos. La economía circular debe ser el principio para la sostenibilidad en la gestión de los residuos. GRACIAS POR SU ATENCIÓN xelias@econotermia.com

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