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TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DEL ORIENTE DEL ESTADO DE MÉXICO ACADEMIA DE INGENIERÍA AMBIENTAL CUADERNILLO DE APOYO PARA LA ASIGNATURA DE: “TECNOLOGÍAS LIMPIAS Y RECURSOS RENOVABLES” PROFESOR: BIÓLOGO EXPERIMENTAL: DAVID ROMERO FONSECA LA PAZ ESTADO DE MÉXICO DICIEMBRE DE 2010
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TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DEL ORIENTE DEL ESTADO DE
MÉXICO
ACADEMIA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
CUADERNILLO DE APOYO PARA LA ASIGNATURA DE:
“TECNOLOGÍAS LIMPIAS Y RECURSOS RENOVABLES”
PROFESOR: BIÓLOGO EXPERIMENTAL: DAVID ROMERO FONSECA
LA PAZ ESTADO DE MÉXICO DICIEMBRE DE 2010
Indice
Introducción………………………………………………………………………………0
Unidad 1. Los Recursos, Energía, Economía y Medio Ambiente. .................... 1
1.0 Clasificación .................................................................................................. 1
1.1 Eficiencia Ecológica y Económica del Aprovechamiento................................ 3
1.2 Recursos Energéticos .................................................................................... 8
1.3 Limitación de los recursos y su problemática ................................................. 9
1.4 Recursos Energéticos Renovables. ............................................................. 22
Unidad 2. Tecnologías básicas de reducción, reciclado y recuperación de residuos. .............................................................................................................. 25
2.1 Minimización de residuos…….…………………………………………………….25
2.2 Producción más limpia .................................................................................... 37
2.3 Tecnologías limpias ......................................................................................... 39
2.4 Procesos de regeneración de residuos ........................................................... 41
2.5 Casos prácticos de tecnologías básicas de reciclado, recuperación y de aprovechamiento de residuos. .............................................................................. 42
Unidad 3. Cogeneración de energía .................................................................. 44
3.1 Gestión y ahorro energético. ........................................................................... 45
3.2 Políticas de ahorro y uso de energía…………..……………………………….…46
3.3 Clasificación de los sistemas de cogeneración. .............................................. 48
3.4 Impacto Ambiental ........................................................................................... 52
3.5 Marco jurídico específico ................................................................................. 52
3.5.1 La Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (Conae)........................... 55
Unidad 4. Conversión de biomasa .................................................................... 57
4.1 Rutas bioquímicas y vías termoquímicas. ....................................................... 57
4.1.1 Ventajas de la biomasa ................................................................................ 59
4.1.2. Restricciones en el uso de la biomasa ........................................................ 60
4.1.3. Biocombustibles .......................................................................................... 61
4.2 Desarrollo de la conversión termoquímica de la biomasa ............................... 64
4.2.1 Rellenos sanitarios ....................................................................................... 65
4.3. Reacciones de pirolisis. ................................................................................. 90
4.4 Algunos equipos de pirolisis/ combustión de biomasas .................................. 92
4.5 Contaminación producida por pirolisis e incineración ...................................... 93
Unidad 5. Generación de productos químicos a partir de biocombustibles .. 99
5.1 Propiedades fisicoquímicas de los biocombustibles ........................................ 99
5.2 Aplicaciones .................................................................................................. 101
Bibliografía. ........................................................................................................ 105
Introducción Este documento es una recopilación de información relevante para los estudiantes
de la carrera de Ingeniería Ambiental y público interesado en las tendencias de las
nuevas tecnologías, que surgen como una necesidad para la eliminación en la
medida de los alcances de la contaminación ambiental.
Así mismo se plantea que este sea un referente dirigido a los interesados;
principalmente los estudiantes que se encuentren cursando esta asignatura de
Tecnologías Limpias y Recursos Renovables. Es por eso que el alcance de la
materia involucra el aprovechamiento de los recursos renovables y los no
renovables de forma apropiada y por supuesto hacer renovable la energía.
Involucrando la aplicación de técnicas y procesos de reciclado en toda la materia
prima aprovechable con el propósito de crear una cultura autosustentable.
Las fuentes alternativas de generación de energía se están constituyendo en los
diferentes países del mundo en una opción real para la expansión de los sistemas
eléctricos debido a su gran desarrollo y al hecho de tener un tratamiento ambiental
diferente a las fuentes convencionales.
En este entorno, la generación de energía a partir de fuentes no convencionales
está comenzando a tomar fuerza en el mundo, motivando a los dirigentes de
varios países a implementar acciones tendientes a incrementar los proyectos que
en este sentido se han venido desarrollando. Estos países se consolidan cada vez
más hacia un manejo mucho más ambiental basado en el desarrollo e introducción
paulatina de energía generada mediante fuentes diferentes a las convencionales.
1
Unidad 1. Los Recursos, Energía, Economía y Medio Ambiente
Objetivo Educacional. El estudiante valorará el papel que juegan los recursos
naturales para el bienestar humano y conocerá el impacto que han tenido sobre el
medio ambiente las actividades productivas desarrolladas a lo largo de la
existencia de la humanidad.
1.0 Clasificación
Los recursos naturales constituyen el “conjunto de los elementos existentes en la naturaleza que se utilizan para satisfacer las necesidades humanas”; por lo
tanto son aquellos muy variados medios de subsistencia de las gentes obtienen
directamente de la naturaleza.
El medio natural a que hace referencia la definición anterior, se compone de
múltiples procesos que ocurren en la superficie terrestre, y los que la humanidad
tiene acceso a ellos y definitivamente cada vez agota con mayor rapidez, como el
petróleo.
Un cuadro comparativo de los recursos se pueden observar en la figura 1
Hay que resaltar que algunos de estos recursos naturales son afectados más o
menos por el ser humano y otros por la acción de la naturaleza, como por ejemplo:
La radiación solar, las mareas y el viento, no son afectados por la acción del ser
humano a pesar que se utilizan de manera regular para generar energía, sin
embargo la lluvia, la vegetación y la fauna si son afectados por la acción humana,
ya que la contaminación atmosférica trastorna el ciclo de las lluvias y en el caso de
algunos animales y plantas, como ya es sabido se encuentran en peligro de
extinción, por su desmedida caza y explotación.
Por otro lado las rocas y las arenas resultan poco afectadas por la acción de la
naturaleza ya que se necesitan muchos años para que se pueda apreciar dicha
acción.
2
En el caso de los metales, e hidrocarburos estos si son afectados en forma más
directa por la naturaleza ya que no se necesitan muchos años para constatar la
acción principalmente oxidante.
Es importante señalar que los recursos no renovables, si se pueden renovar, pero
se clasifican de esta manera porque el periodo que necesitan para poder cumplir
su ciclo, es demasiado largo, algunos de ellos abarcan cientos y otros miles de
años.
Como podemos ver entonces los recursos naturales son aquellos materiales que
la tierra nos proporciona de manera natural y le toca al hombre, como animal
social y racional usar y manejar estos recursos, aunque no siempre lo haga
acertadamente.
Cuadro comparativo de la clasificación de los recursos naturales
Figura 1 Fuente: Recursos naturales.com
3
1.1 Eficiencia Ecológica y Económica del Aprovechamiento
Entre niveles tróficos se transfiere la biomasa con mayor o menor
aprovechamiento puesto que no todos los organismos consumidores muestran la
misma eficiencia en la transformación de la energía consumida en producción
secundaria, incluso consumiendo los mismos tejidos.
De este modo el flujo de energía por el ecosistema dependerá de la eficacia con
que los organismos exploten sus recursos alimentarios y lo conviertan en biomasa.
Este flujo se cuantifica mediante la eficiencia ecológica.
La eficiencia ecológica, EE, es el aprovechamiento de la energía que se
transfiere de un nivel trófico (n-1) al siguiente (n), y puesto que en la transferencia
siempre se disipa calor, la energía transferida será mayor cuanto mayor sea la
pérdida de calor.
La eficiencia ecológica también varía entre los distintos niveles, siendo más alta en
los niveles inferiores de la cadena alimentaria donde los organismos más
pequeños destinan proporcionalmente la mayor parte de su ingesta de alimentos
al crecimiento y una menor proporción al mantenimiento. Las enfermedades, la
mortalidad y la contaminación, entre otros, también pueden influir en la eficiencia
ecológica.
De la EE de diferentes niveles tróficos surge una estructura piramidal en muchos
ecosistemas y la longitud de las cadenas tróficas está limitada por el flujo de
energía: si la EE de la producción primaria es un 1% y cada eslabón de la cadena
transfiere al siguiente sólo un 10% debe existir un máximo de eslabones de las
cadenas tróficas. Ver figura 2.
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La eficiencia ecológica y las cadenas tróficas
Figura 2. Fuente: e-ducativa.catedu.es
La vida en la Tierra depende de la energía del Sol, que es también responsable
del viento y del conjunto de condiciones meteorológicas. Cada día, año tras año, la
energía del Sol llega a la parte superior de la atmósfera terrestre. Sin embargo, a
causa de la atmósfera, sólo una pequeña fracción de esta energía alcanza la
superficie terrestre y queda a disposición de los organismos vivos.
La cantidad de energía que reciben las distintas partes de la superficie terrestre no
es uniforme. Este es el factor fundamental que determina la distribución de la vida
en la Tierra. En las cercanías del Ecuador, los rayos del Sol son casi
perpendiculares a la superficie terrestre y este sector recibe más energía por
unidad de superficie que las regiones al norte y al sur, mientras que las regiones
polares reciben el mínimo.
Además, dado que la Tierra, que está inclinada sobre su eje, rota una vez cada 24
horas y completa una órbita alrededor del Sol más o menos cada 365 días, el
ángulo de incidencia de la radiación y, por lo tanto, la cantidad de energía que
alcanza a diferentes partes de la superficie, cambia hora tras hora y estación tras
estación.
En los hemisferios norte y sur las temperaturas cambian en un ciclo anual porque
la Tierra está ligeramente inclinada sobre su eje en relación con su órbita
alrededor del Sol. En invierno, en el Hemisferio Norte, el Polo Norte se encuentra
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inclinado hacia el lado opuesto al Sol, disminuyendo el ángulo con que los rayos
solares inciden en la superficie y disminuyendo también la duración de las horas
de luz, lo cual da como resultado temperaturas más bajas. En verano, en el
Hemisferio Norte, el Polo Norte está inclinado hacia el Sol. Nótese que la región
polar del Hemisferio Norte está continuamente oscura durante el invierno y
continuamente iluminada durante el verano. Ver figura 3.
Del 100% de la energía solar dirigida a la Tierra: 42% es reflejada (33% por nubes
y 9% por polvo) 10% es absorbida por O3, O2 y vapor de agua del 48% incidente
sobre la corteza terrestre: 38% es reflejada por la corteza
10% captada con 1 a 3% absorbida por las plantas verdes por medio de la
fotosíntesis.
Incidencia de la radiación solar sobre la tierra
Figura. 3 Fuente: [email protected]
Las variaciones de temperatura en la superficie terrestre y la rotación de la tierra
establecen los principales esquemas de circulación del aire y de las
precipitaciones.
Estos esquemas dependen, en gran medida, del hecho de que el aire frío es más
denso que el aire caliente. En consecuencia, el aire caliente se eleva y el aire frío
desciende. Cuando el aire asciende, se encuentra bajo menor presión y, en
consecuencia, se expande; cuando un gas se expande, se enfría. El aire más frío
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retiene menos humedad, así que, al elevarse, su vapor tiende a condensarse y a
caer en forma de lluvia o de nieve.
Los recursos naturales no renovables son aquellos cuya tasa de renovación es
excepcionalmente lenta o nula y su uso y transformación reduce constantemente
sus reservas, son también referidos como recursos de reserva dado que no
aumentan significativamente, en suministro, con el tiempo, aunque sí pueden
aumentar el conocimiento de los mismo, como ocurre con el petróleo o el hierro.
Cada ritmo de uso presente puede mermar por lo tanto el posible ritmo futuro.
Aunque el agotamiento de un recurso particular en una zona determinada pueda
causar serios problemas, en general la aparición de sustitutos y el descubrimiento
de nuevas reservas han compensado de sobra estas disminuciones.
El segundo resultado importante emanado de esta carencia de control exclusivo
sobre un recurso, es que existe muy escaso incentivo para cualquier usuario
individual en cuanto a conservar el recurso aunque resulte evidente que el mismo
se está mermando.
Se presentan otras dificultades en la administración de ciertos recursos
renovables, debido a que se trata de recursos de múltiple propósito. Por ejemplo,
los bosques son una fuente de madera, pero tienen también valor de recurso
como lugares de recreo, reservas zoológicas y como reguladoras de lluvia.
Una externalidad es definida como todo efecto externo causado por un individuo o
una empresa usuario, no contabilizado, pero que sí afecta a otros usuarios del
mismo recurso. Las externalidades son generalmente negativas y ocurren cuando
existe un acceso libre a la explotación de determinado recurso, sin que medie
ningún acuerdo de cooperación voluntaria. Se pueden identificar tres tipos de
externalidades: las del inventario, las de aglomeración y las de la tecnología.
Existen otras externalidades derivadas por la interdependencia ecológica que a
diferencia de las anteriores revisten características positivas, esto es, la
explotación de un recurso puede acarrear beneficios a usuarios simpátricos que
interactúan con el primero en espacio y en tiempo. La ocurrencia de
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externalidades obedece a las fallas estructurales del mercado, que no pueden
absorber automáticamente esos costos adicionales.
En la aplicación del principio de el que contamina paga, se trata de proteger la
naturaleza y evitar utilizarla como basurero. Otro mecanismo íntimamente ligado,
es el sistema de precios, considera el costo ambiental de la actividad económica
sea cubierto en relación con la escases de recursos.
De esta forma los permisos comerciables, son permisos para contaminar que
puede otorgarse a una persona, previo pago de derechos. El sistema busca
controlar la emisión de contaminantes imponiéndoles límites.
También se establecen reducciones recíprocas de contaminantes que afectan a
un bien común. Incluso entre países se impone a los productos de otro, en virtud
de que éste último no cumple en los requisitos de protección ambiental del país
importador.
La degradación del medio ambiente y de los recursos naturales, conocidos
también por bajo el nombre de bienes y servicios ambientales, puede ser
ocasionado por un excesivo desarrollo económico o por un desarrollo económico
insuficiente.
El crecimiento de la población, la extensión de los asentamientos humanos y la
industrialización provocan creciente contaminación en los factores físico-naturales
más importantes para la supervivencia de las especies vivas. Estos problemas son
el resultado de un desarrollo inadecuado y parte de su solución se encuentra en
un crecimiento económico bien planificado.
El crecimiento económico por sí mismo, frecuentemente ocasiona degradación del
medio ambiente y de los recursos naturales. El asunto no es escoger entre
desarrollo y medio ambiente, sino proponer incorporar medidas de costo-eficiencia
para restablecer, sustentar y proteger los sistemas naturales.
El desarrollo sustentable aparece como una alternativa desde hace ya varias
décadas y al igual que otros modelos surge a partir de las enormes crisis
ambientales causadas por una racionalidad meramente económica y la progresiva
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pérdida de confianza en la viabilidad del modelo de crecimiento económico y
modernización, como única estrategia. La evolución de estos paradigmas refleja
los cambios en la percepción ambiental desde una preocupación inicial acerca de
las externalidades del crecimiento económico, hasta el interés por cuestiones de
diversidad e integridad cultural y natural, sustentabilidad y derechos
intergeneracionales.
Explotación de recursos naturales
Fi Figura 4 Fuente: revistafuturos.info/futuros13/economia_ambiental.htm
1.2 Recursos Energéticos
Los recursos energéticos son aquellas sustancias clasificadas químicamente de
esta manera debido a su habilidad potencial para producir energía, en su mayoría
proveniente de los enlaces covalentes de los átomos de carbono. Ejemplos de
éstos son los hidrocarburos, que tienen enlaces de carbono e hidrógeno que
contienen grandes cantidades de energía química.
Los recursos energéticos orgánicos también llamados combustibles fósiles, son
aquellos energéticos que se presentan naturalmente en el medio ambiente. Gran
parte de los energéticos de origen orgánico son los hidrocarburos naturales,
aunque existen más.
A continuación se enlistan algunos energéticos orgánicos:
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• Carbón • Gas natural • Hidrocarburos sólidos • Petróleo • Bomba
Los recursos energéticos inorgánicos son aquellos utilizados por el hombre para
producir energía de una manera "inorgánica". Obviamente, todo recurso tiene su
origen en la naturaleza, pero algunos son modificados completamente por el
hombre, o bien requieren un proceso especial para explotar su potencial
energético.
1.3 Limitación de los recursos y su problemática
Entre los innumerables elementos de la crisis del medio ambiente en la que se
haya sumergida nuestra civilización, los relativos al problema de los límites
explotables de los recursos naturales figuran entre los más inquietantes
polémicos, todos aquellos derivados del petróleo.
La consideración de este problema lleva a tratar aspectos tan candentes como
la finalidad del crecimiento o la imperiosa necesidad de alcanzar un estado
estacionario en los efectivos de las poblaciones humanas y su nivel de
producción industrial, siempre en términos cuantitativos. El nivel de consumo
actual de las fuentes de energía, de las materias primas, del agua y de los
recursos alimenticios alcanza un valor absoluto tal, que no puede menos de
extrañar la sorpresa de algunos que, de repente, descubren el carácter finito de
los recursos.
Las disponibilidades energéticas figuran entre los diversos límites probables a la
expansión de la actividad industrial humana. Dos tipos de fuentes de energía
pueden ser utilizadas por el hombre. Las primeras, no renovables, comprenden
los diversos combustibles fósiles y las materias fisibles (uranio 235, por
ejemplo).
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Las segundas son, por su misma esencia, inagotables a escala de nuestra
especie, aunque de más difícil explotación. Se trata de la energía solar, de la
energía de las mareas oceánicas y de la energía térmica. El flujo de la energía
natural constituido por estos fenómenos cósmicos se reparte de la siguiente
forma:
Flujo solar 178,000 x 109 kw/año
Energía geotérmica 32 x 109 kw/año
Energía marina 3 x 109 kw/año
Sólo una ínfima parte de estas gigantescas fuentes de energía se utiliza bajo
forma hidroeléctrica. La satisfacción de las necesidades energéticas de la
civilización contemporánea se funda esencialmente en el empleo de
combustibles fósiles. Hemos asistido desde comienzos de siglo, época en que el
carbón y la madera tenían un papel preponderante, a una modificación de la
naturaleza de los carburantes utilizados. La parte del gas natural y sobre todo el
petróleo no ha hecho más que crecer en detrimento de los combustibles sólidos.
Pese a una aparente abundancia, el agua dulce, habida cuenta del crecimiento
de las necesidades humanas, es relativamente rara en la biosfera.
A diferencia de muchos otros problemas de recursos que no llegarán a ser
cruciales más que en un futuro más o menos lejano, el del agua dulce es actual.
La mayor parte de los países industrializados sufren ya una grave penuria,
incluso aquellos que a priori parecen mejor provistos de dicho elemento.
Si tenemos en cuenta el incesante aumento de las necesidades de agua en la
civilización contemporánea, en particular los enormes volúmenes consumidos
por las naciones de gran expansión industrial; si no olvidamos las grandes
cantidades de agua necesarias en la agricultura no solamente en los países
desarrollados sino también en los en desarrollo cuya galopante demografía
empuja a una explotación de tierras semiáridas con ayuda de la irrigación, se
llega a la conclusión de que el agua es ya escasa en no pocas regiones del
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mundo. Figura en el primer plano de los recursos naturales susceptibles de
faltar a la humanidad en un futuro próximo.
Desgraciadamente, la mala gestión, e incluso el despilfarro, de los recursos de
agua son hoy, por el contrario, la regla en los países industrializados. La
contaminación accidental, o por negligencia, de las capas freáticas más
profundas compromete el porvenir de nuestras reservas hídricas e impedirá su
utilización cuando se ponga de manifiesto su necesidad. En fin, las existencias
de agua están igualmente limitadas por las exigencias de los consumidores,
quienes acrecientan su empleo por la elevación del nivel de vida.
Este fenómeno es tanto más notable en nuestros días cuanto que los habitantes
de los países occidentales exigen de las aguas un grado de pureza que
curiosamente no exigen en el aire que respiran.
Si examinamos ahora, no los volúmenes de agua dulce disponible, sino su
distribución geográfica, se constata que ese elemento es no solamente bastante
escaso en la biosfera sino que además se halla muy mal distribuido en la
superficie de las tierras emergidas. Así, en más de la mitad de los continentes,
el agua dulce existe en cantidades insuficientes o bajo una forma inutilizable
para los fines agrícolas o industriales.
Los Recursos Alimenticios
De todos los graves problemas del entorno que caracterizan los tiempos
presentes, el de las disponibilidades alimentarias es de entidad suficiente para
inquietar a los ecólogos menos pesimistas. En ese dominio la crisis no
pertenece al futuro: se cierne ya desde hace tiempo.
¿Qué superficie de tierras cultivables puede ser utilizada por la humanidad?
Actualmente, todas las tierras fértiles han sido roturadas desde hace tiempo.
Para complicar el asunto, la superficie total de las tierras disponibles para el
cultivo disminuye en valor absoluto a consecuencia del crecimiento demográfico.
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Esto se debe no solamente a las alteraciones edafológicas y a la erosión de los
suelos, sino también a las consecuencias de la expansión urbana e industrial.
Estas últimas imposibilitan los usos agrícolas en superficies crecientes de suelo
muy fértil, ya que las ciudades se instalan en general en el fondo de ricas
cubetas aluviales.
El crecimiento de las ciudades se realiza generalmente en detrimento de las
mejores tierras, las ciudades han esterilizado la veinteava parte del total de las
tierras hoy explotadas.
Hay que añadir a la superficie ocupada por las ciudades la de las carreteras, los
aeropuertos, los terrenos militares, la inundación de valles por nuevos embalses
hidroeléctricos. En definitiva, la superficie de las tierras disponibles decrece más
rápidamente que el aumento de la población. Cada persona, además de su
vivienda, tiene necesidad de una superficie de vías de comunicación, lugar de
trabajo, etc.
El agotamiento de muchos recursos vitales para nuestra especie –a consecuencia
de su dilapidación o de su destrucción, fruto de comportamientos consciente o
inconscientemente depredadores orientados por la búsqueda de beneficios
particulares a corto plazo- constituye uno de los más preocupantes problemas de
la actual situación de emergencia planetaria (Brown, 1998; Folch, 1998).
Conviene comenzar reflexionado acerca del significado de “recurso”, definido en
los diccionarios como "bien" o "medio de subsistencia", por lo que tan recurso
natural puede considerarse un yacimiento mineral explotable o una bolsa de
petróleo, como un bosque, o el aire respirable... (Vilches y Gil Pérez, 2003).
De hecho, lo que consideramos recurso ha ido cambiando con el tiempo. El
petróleo, por ejemplo, era ya conocido hace miles de años, siempre tuvo las
mismas características y propiedades, pero su aparición como recurso energético
es muy reciente, cuando la sociedad ha sido capaz de explotarlo técnicamente.
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Y otro tanto se podría decir de muchos minerales, de recursos de los fondos
marinos, de los saltos de agua o de la energía solar, que obviamente siempre han
estado ahí.
Por otra parte, la idea de recurso lleva asociada la de limitación, la de algo que es
valioso para satisfacer necesidades pero que no está al alcance de todos. Por eso,
el agotamiento de los recursos es uno de los problemas que más preocupa
socialmente, como se evidenció en la primera Cumbre de la Tierra organizada por
Naciones Unidas en Río en 1992.
Se explicó entonces que el consumo de algunos recursos clave superaba en un
25% las posibilidades de recuperación de la Tierra. Y cinco años después, en el
llamado Foro de Río + 5, se alertó sobre la aceleración del proceso, de forma que
el consumo a escala planetaria superaba ya en un 33% a las posibilidades de
recuperación. Según manifestaron en ese foro los expertos: "si fuera posible
extender a todos los seres humanos el nivel de consumo de los países
desarrollados, sería necesario contar con tres planetas para atender a la demanda
global”.
Dicho con otras palabras: nos enfrentamos a un grave problema de agotamiento
de recursos esenciales a pesar de que la mayoría de los seres humanos tienen un
reducido acceso a los mismos. Un agotamiento de recursos que ha jugado un
papel determinante, aunque no exclusivo en el colapso de pasadas civilizaciones y
que ahora amenaza con conducir "al colapso de la sociedad mundial en su
conjunto" (Diamond, 2006). ¿Y cuáles son los recursos esenciales cuyo
agotamiento está planteando problemas?
Resulta obligado, claro está, referirse al agotamiento de los
recursos energéticos fósiles, que aparece como uno de los ejemplos
más claros. Sin embargo, los comportamientos sociales en nuestros
países desarrollados no muestran una real comprensión del
problema: seguimos construyendo vehículos que queman alegremente cantidades
crecientes de petróleo, sin tener en cuenta, ni las previsiones de su agotamiento,
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ni tampoco los problemas que provoca su combustión una contaminación sin
fronteras o el hecho de que constituye la materia prima, en ocasiones exclusiva,
de multitud de materiales sintéticos (fibras, plásticos, cauchos, medicamento).
Al quemar petróleo estamos privando a las generaciones futuras de una
valiosísima materia prima. Naturalmente resulta difícil predecir con precisión
cuánto tiempo podremos seguir disponiendo de petróleo, carbón o gas natural. La
respuesta depende de las reservas estimadas y del ritmo de consumo mundial. Y
ambas cosas están sujetas a variaciones: se siguen realizando prospecciones en
busca de nuevos yacimientos e incluso se está volviendo a extraer petróleo de
yacimientos que hace tiempo fueron abandonados como no rentables. Pero las
tendencias son cada vez más claras y ni los más optimistas pueden ignorar que se
trata de recursos fósiles no renovables, cuya extracción resulta cada vez más
costosa, lo que se traduce en un encarecimiento progresivo del petróleo, que se
ha disparado de forma alarmante tras la invasión de Irak.
La evidencia fundamentada de que se está alcanzando el cenit de la producción
petrolífera (“peak oil”) se ha convertido en un motivo de muy seria preocupación,
como muestran documentados trabajos en los que se analizan las consecuencias
de un “mundo de baja energía” (Ballenilla, 2005) y ha dado lugar a la creación en
2009 de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), con el
cometido de asesorar a los países en materia de política energética y de promover
el desarrollo de las energías renovables.
Pero, desgraciadamente, la situación de emergencia planetaria no es atribuible a
un único problema, por muy grave que sea el agotamiento del petróleo. De hecho,
algunos temen que no llegue a agotarse lo suficientemente aprisa para poner
freno al acelerado cambio climático que está provocando su combustión (Lynas,
2004). Y si seguimos considerando el problema del agotamiento de recursos, para
la inmensa mayoría de la población mundial resulta tanto o más grave el proceso
de desertización y drástico descenso de los recursos hídricos, un recurso esencial
tan sólo aparentemente renovable, en cuyo acceso se dan desequilibrios
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insostenibles y al que, por su importancia vital, hemos dedicado específicamente
uno de los temas de acción clave (Nueva cultura del agua). Y es preciso referirse
a otros muchos recursos que han sufrido una drástica disminución como, por
ejemplo, las pesquerías.
Alteraciones ecológicas, como las provocadas en la desembocadura de los ríos, a
las que no se deja llegar suficiente agua, o la utilización de técnicas como las
redes de arrastre, han esquilmado irreversiblemente muchos caladeros.
Algunas de las especies comerciales se encuentran por debajo de un 1% respecto
a sus existencias de hace unas décadas, con los consiguientes conflictos entre
países y comunidades pesqueras: miles de pescadores se han quedado sin
trabajo en países como Canadá o España, obligando al desguace de las flotas.
Según un reciente estudio (Worm et al., 2006), el conjunto de la fauna marina se
encuentra en una situación de auténtico peligro lo que repercutirá en la calidad de
vida de la especie humana ya que, entre otras cosas, el mar provee del 50 % del
oxígeno que respiramos y constituye un filtro para la contaminación, además de
una fuente de alimento esencial.
En dicha investigación se señala que el 30 % de las especies marinas que se
pescaban ya se ha colapsado, lo que significa que su número total se ha reducido
en un 90 % desde 1950 y que, si no se toman medidas urgentes, las especies que
en la actualidad capturan las flotas pesqueras entrarán en situación de colapso
antes de 2050.
Los problemas y desequilibrios se potencian así mutuamente, poniendo en peligro
la supervivencia de la especie humana. Un ejemplo claro de ello lo constituye otro
recurso esencial en retroceso: el de la masa forestal.
En los últimos 100 años el planeta ha perdido casi la mitad de su superficie
forestal. Y, como señalan informes de la FAO (Organización de la Alimentación y
la Agricultura, (http://www.fao.org/index_es.htm) la Tierra sigue perdiendo de
forma neta cada año 11,2 millones de hectáreas de bosques vírgenes.
Esto sucede, según informes del Fondo Mundial para la Naturaleza
(http://www.wwf.es/), como consecuencia fundamentalmente de su uso como
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fuente de energía (cerca de 2000 millones de personas en el mundo dependen de
la leña como combustible), de la expansión agrícola y ganadera y de la minería y
de las actividades de compañías madereras que, a menudo, escapan a todo
control.
Un informe del gobierno brasileño reconocía en 1999 que el 80% de la madera
extraída de la Amazonía se obtenía sin permiso. Y las áreas taladas de bosque
tropical en África corresponden a especies que tardan más de doscientos años en
crecer. Un problema al que se ha venido a sumar la deforestación que está
provocando la explotación en África con gran impacto además, en la biodiversidad.
Ver figura 5.
Sabana típica de África Central
Figura 5. Fuente: www.kenyalogy.com
Esta disminución de los bosques, particularmente grave en el caso de las selvas
tropicales, no sólo incrementa el efecto invernadero, al reducirse la absorción del
dióxido de carbono sino que, además, agrava el descenso de los recursos
hídricos: a medida que la cubierta forestal mengua, aumenta lógicamente la
escorrentía de la lluvia, lo que favorece las inundaciones, la erosión del suelo y
reduce la cantidad que se filtra en la tierra para recargar los acuíferos.
No olvidemos, por otra parte, que en los bosques vive entre el 50 y el 90 por ciento
de todas las especies terrestres, por lo que su retroceso va acompañado de una
gravísima pérdida de biodiversidad (Delibes y Delibes, 2005). Y aún hay más
problemas derivados de la reducción de la masa forestal: conforme se va
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facilitando el acceso a los bosques con carreteras para recoger los árboles
talados, etc., éstos se hacen más secos y más susceptibles a los incendios, lo que
reduce aún más la masa boscosa y ello, a su vez, hace que menos agua de lluvia
se filtre en la tierra y así se abre una espiral realmente infernal: nunca ha habido
incendios como los de estos últimos años en las selvas tropicales de Borneo,
Java, Sumatra. La secuencia cronológica de la eliminación de los bosques de
Borneo se puede observar en la siguiente figura 6.
Perdida estimada de los Bosque de Borneo de 1950 - 2020
Figura 6 Fuente: http://eco.microsiervos.com
La tala de árboles para la venta de la madera y la quema de terrenos para
prepararlos para la agricultura, unidos a fuegos espontáneos, llegaron a formar
una columna de humo que se dispersó más de un millón de km y que afectó a 70
millones de personas de ciudades muy alejadas. Y lo mismo ha ocurrido
repetidamente en la selva amazónica.
Y ello se relaciona con la pérdida de otro recurso natural: el suelo cultivable, justamente cuando nos encontramos en el momento de aumento de la demanda
alimentaria más grande de toda la historia. Se trata de otro ejemplo de vinculación
de múltiples problemas. Tenemos, por una parte, la incidencia del crecimiento de
las ciudades y del número de carreteras a costa de suelos fértiles (ver
urbanización sostenible.
18
Así, desde los años ochenta se pierden en China más de 400,000 hectáreas de
tierras de labor cada año debido al auge de la construcción y al crecimiento
industrial, y lo mismo ocurre con otros países asiáticos, como Corea, Indonesia y
Japón, en los que la rápida industrialización devora las tierras agrícolas y, como
consecuencia, deben importar más del 70 % de los cereales que consumen. Por
otra parte, las talas e incendios se realizan, supuestamente, para disponer de más
suelo cultivable, pero el resultado suele ser una degradación total al cabo de muy
poco tiempo: es lo que ocurre en las selvas tropicales.
Por ejemplo, los gobiernos brasileños, a principios de la década de los 80, ver
figura 7, incentivaron la colonización de algunas zonas del bosque tropical,
contando con la supuesta fertilidad de un suelo capaz de hacer crecer tan
frondosa vegetación.
La selva tropical amazónica de Brasil ocupa 4,1 millón de km2 y tiene un papel
único en la preservación de la biodiversidad, la regulación del clima regional y del
ciclo hidrológico continental.
Deforestación de la Selva Brasileña
Figura 7 Fuente: http://planeta-salvaje
19
Pero al cabo de poco tiempo de haber talado y quemado grandes extensiones,
ese suelo fértil, de muy escaso espesor, había sido arrastrado por las aguas al no
contar con la fijación de los árboles; y las extraordinarias cosechas del primer año
disminuyeron drásticamente.
Pero era ya tarde para rectificar y en esas zonas no se puede seguir cultivando, ni
crecerá de nuevo el bosque, contribuyendo así al incremento del efecto
invernadero.
Esta deforestación ha continuado en Brasil. A través de observaciones vía satélite
se ha podido seguir la expansión de las zonas deforestadas. Cada año se dan
cifras que comparan el tamaño de las zonas deforestadas en la Amazonía con el
de regiones como Galicia o países como Bélgica, mientras "megaincendios" de
extensión semejante prosiguen año tras año, siempre con idénticos resultados de
pérdida de suelo por la erosión.
Este fenómeno de la erosión destructiva se ha producido en muchas otras zonas
del planeta por el afán de ampliar las superficies cultivadas a tierras marginales.
En lo que fue la URSS, la ampliación de los cultivos en las llamadas tierras
vírgenes apareció como una gran conquista, pero muchas de esas tierras se han
perdido ya debido a la erosión.
Un caso paradigmático de desastre ecológico provocado por esa política de
ampliación de tierras cultivadas es el que se ha producido en torno al Mar de Aral,
ver figura 8. Se desviaron los ríos que vertían en él para irrigar campos de
algodón y el resultado ha sido la desecación de un mar que era navegable. Y lo
peor es que el viento ha esparcido la sal del lecho seco por los campos de cultivo,
poniendo fin a una prosperidad de apenas dos décadas.
20
Efectos sobre el mar de Aral entre Kazajistán, al norte, y Uzbekistán
Figura 8. Fuente: http://es.wikipedia.org
Pero una de las causas más importantes de la degradación del suelo cultivable
procede de la agricultura intensiva, que se traduce en erosión eólica (el suelo
arado se disgrega más fácilmente y es arrastrado por el viento), apisonamiento de
los suelos por el paso de maquinaria pesada, alteración de la composición química
de los suelos (acidificación, pérdida de nutrientes), etc. Se habla de una espiral de
degradación que ha afectado ya a la mitad de los suelos cultivables (Bovet et al.,
2007, pp 16-17).
Por otra parte, el uso de biocombustibles, como el Bioetanol o el biodiesel, está
impulsando el uso de maíz, soja, etc., que era destinado al consumo humano, lo
que no sólo está contribuyendo a la escasez de estos productos sino que además
está provocando deforestaciones para contar con nuevas superficies de cultivo,
pérdida de biodiversidad e incremento de los costes en la industria alimentaria.
Afortunadamente las críticas a estos biocombustibles está promoviendo la
investigación en alternativas más limpias: los denominados biocombustibles de
segunda generación que se producen a partir del aprovechamiento de gramíneas,
paja, desechos agrícolas, residuos orgánicos humanos y de animales, etc.
Y no debemos olvidar esos recursos fundamentales –pero a menudo ignorados
como recursos porque aparentemente “no cuestan dinero”- que suponen los
sumideros (la atmósfera, los mares, el propio suelo) en los que se diluyen y en
ocasiones se neutralizan los productos contaminantes fruto de la actividad
21
humana. Y se trata de recursos que estamos también perdiendo: los suelos, los
océanos, el aire, están saturándose de sustancias contaminantes.
Particularmente grave es el hecho de que los océanos (que contienen unas 50
veces más CO2 disuelto que la atmósfera) y suelos como el permafrost ártico
están transformándose, al elevarse la temperatura, de sumideros en fuentes de
CO2 y metano, amenazando con un fatal incremento del efecto invernadero
(Pearce, 2007).
Una vez más podemos ver la vinculación de los problemas, sin que,
desafortunadamente, podamos pensar en encontrar solución, aisladamente, a
ninguno de ellos. Pero las soluciones a la situación de emergencia planetaria
existen y han sido apuntadas por los mismos expertos que han señalado los
problemas (CMMAD, 1988; Mayor Zaragoza, 2000; Brown, 2004): se trata de
poner en marcha, conjuntamente, medidas tecnológicas (Tecnologías para la
sostenibilidad), cambios de comportamientos y estilos de vida (Educación para la
sostenibilidad) y políticas de gobierno universal.
No todas son medidas sencillas, por supuesto, pero es urgente comenzar a
aplicarlas, como afirma Brown (2004), con “una movilización como en tiempos de
guerra” y prestar la debida atención a las “Pautas para aplicar el principio de
precaución a la conservación de la biodiversidad y la gestión de los recursos
naturales” (http://www.pprinciple.net/).
Todos podemos y debemos aplicar las “3R” (reducir, reutilizar y reciclar) y
contribuir a la necesaria toma de decisiones. Estimaciones como las que
proporciona el cálculo de la mochila ecológica de cada producto (que indica la
cantidad de materiales que se suman durante el ciclo de vida de dicho producto)
pueden ayudarnos a esta toma de decisiones.
Así, por ejemplo, una bandeja de madera de 1.5 Kg de peso tiene una mochila
ecológica de algo más de 2 kg, mientras que si se trata de una bandeja de cobre,
que preste los mismos servicios, su mochila puede superar la media tonelada.
22
Igualmente relevante es el cálculo de aquellos recursos esenciales, como el agua,
que se utilizan en la elaboración de un producto, aunque no aparezcan en el
producto final, por lo que reciben el nombre de “virtuales” (“agua virtual”, etc.).
En definitiva, el peligro de agotamiento de recursos y la consecuente
transformación de los ecosistemas, debido a nuestras formas de vida, es
realmente muy elevado y exige la urgente adopción de medidas de ahorro; para
no vernos limitados o incluso padezcamos de la inexistencia de estos.
1.4 Recursos Energéticos Renovables
Las fuentes de energía renovables son aquellas que si se agotaran no sería
posible la vida en la Tierra y los recursos de energía no renovables se consumen
más rápidamente de lo que se producen.
Recursos Renovables
Figura 9. Fuente: cienciblog.blogia.com/upload
Son aquellos recursos cuya existencia no se agotan con su utilización, debido a
que vuelven a su estado original o se regeneran a una tasa mayor a la tasa con
que los recursos renovables son disminuidos mediante su utilización, esto significa
que ciertos recursos renovables puedan dejar de serlo si su tasa de utilización es
tan alta que evite su renovación. Dentro de esta categoría encontramos el agua y
a la biomasa.
23
Actualmente, más de la mitad de los países del mundo tiene una disponibilidad
promedio baja y prácticamente la tercera parte de ellos ya padece escasez.
México, desgraciadamente, se encuentra entre los países del mundo cuya
disponibilidad promedio de agua es baja; y las tendencias para el año 2020 no son
alentadoras. Ver figura 10.
Parámetros mundiales para la evaluación de la disponibilidad de agua
Figura 10. Fuente: Informe sobre Desarrollo Humano 2006. ONU
Algunos recursos renovables se clasifican como recursos perpetuos, debido a que
por más intensa que sea su utilización, no es posible su agotamiento. Dentro de
esta categoría de recursos renovables se encuentra: la energía hidroeléctrica, la
radiación solar, el viento y las olas.
Su Importancia radica en que suelen ser aprovechados por el hombre y sirven
para satisfacer las necesidades de la población. Se convierte en riqueza con el
trabajo, ya que los países que explotan racionalmente sus recursos naturales
crean riquezas para ponerlas al servicio de la población.
Por otra parte, los recursos no renovables son aquellos que existen en cantidades
determinadas y al ser explotado se pueden acabar. Ejemplos de estos son: El
petróleo, minerales, metales y gas natural.
24
Su valor es primordial debido a que en la actualidad la industria petrolera es una
de las más reconocidas en el ámbito internacional, gracias a su gran capacidad de
producción y refinamiento que sirve para satisfacer, no solo las necesidades de
energía del mercado nacional, sino además, la demanda de petróleo de muchos
países del mundo, desde los Estados Unidos hasta el Japón; Venezuela es
considerada internacionalmente como el más importante productor petrolero del
hemisferio occidental.
En el 2008 la producción de petróleo de la República Bolivariana de Venezuela fue
de 3,422 millones de barriles de petróleo por día (mbd), sin incluir los volúmenes
de los líquidos de petróleo (LPG).
Para finales de 2008 las reservas totalizaron los 152.6 Miles millones de Barriles.
Para el 2010 Venezuela tendrá 316 Barriles de miles de millones de reservas
probadas, llegando a ser el poseedor más grande de la reserva en el mundo.
La mayor parte de esto reserva provendrá de la Faja Petrolífera del Orinoco, un
área muy bien conocida con un riesgo geológico bajo productor de bajo de costo
(costo de levantamiento menor a $1 por barril) y cero costo de exploración, ver
figura 11.
Figura 11 Fuente: http://venezuela-us.org/
25
Unidad 2. Tecnologías básicas de reducción, reciclado y recuperación de residuos.
Objetivo Educacional. Conocer las diferentes metodologías para la reducción de
en la generación de residuos y emisiones de usos eficiente de energía.
2.1 Minimización de residuos
Con las demandas del desarrollo, el hombre empezó a utilizar las materias primas
de una forma desordenada. Los bienes producidos no fueron diseñados para
alcanzar su mayor durabilidad y posterior reciclabilidad.
Actualmente el exceso de «basura» constituye uno de los problemas más
exigentes que la sociedad tiene que afrontar debido al acelerado crecimiento de la
población, aumento de la producción y tendencias crecientes en los hábitos de
consumo, entre otros.
A pesar de las grandes cantidades de «basura», no son el deterioro de los
recursos naturales ni la contaminación del entorno lo que más suele preocupar,
son las dificultades para encontrarles un destino final aceptable; es aquí donde se
introduce el término de residuo.
Los residuos sólidos urbanos (RSU) comprenden todo material que sea
desechado por la población; pueden ser de origen doméstico, comercial, industrial,
desechos de la vía pública y resultantes de la construcción. Estos residuos son los
que mayor dificultad tienen en su tratamiento, en un gran volumen, debido a la
heterogeneidad y por ser generados en los domicilios, lo que provoca mayor
riesgo para la población.
El impacto que pueden provocar los residuos sólidos en la salud, pueden ser
26
directos e indirectos. Directos, porque pueden producir enfermedades a las
personas que están en contacto con la «basura». Indirectos, porque originan la
proliferación de vectores, tales como insectos y roedores, potenciales
transmisores de enfermedades que incluso pueden provocar la muerte.
Sobre el medio ambiente pueden ocasionar contaminación del suelo, las aguas, la
atmósfera y deterioro del paisaje. Ante una gestión futura es necesario conocer el
ciclo de vida de los residuos sólidos urbanos y contar con datos de sus
características. Considerar los residuos como recursos representa gran ventaja
para el medio ambiente y la sociedad, lo que impone su caracterización, el uso de
tecnologías de tratamiento que sean económicas y una educación ambiental de la
población. Una forma tangible de estas estrategias, es por ejemplo, la puesta en
marcha de diversas plantas tratadoras de residuos en el país como una forma de
aprovechamiento sustentable, ver figura 12.
Planta de residuos sólidos urbanos, ubicada en el estado de Durango 2010
Figura 12 Fuente: http://www.noticiasdurango.com/
27
Uno de los retos más importantes que enfrenta actualmente México es la
disposición adecuada de los residuos sólidos municipales e industriales. La basura
suele estar compuesta por diferentes materiales:
Materia orgánica: Restos procedentes de la limpieza o la preparación de
alimentos junto a la comida que sobra, ramas, paja, restos de animales y plantas.
Papel y cartón: Periódicos, revistas, cajas y embalajes, etcétera.
Plásticos: Botellas, bolsas, embalajes, platos, vasos y cubiertos desechables, y
otros.
Vidrio: Botellas, frascos diversos, vajilla rota.
Metales: Latas, tapas, etcétera. Otros: Barro, arena.
La composición típica en porcentaje de los residuos sólidos se puede ver en la
siguiente tabla.
Desglose de los distintos subproductos dispuestos en la Ciudad de México
Subproducto
Promedio %
1 Abatelenguas n.r. 2 Algodón 0.19 3 Cartón 4.46 4 Cuero 0.22 5 Envases de cartón 2.21 6 Fibra dura vegetal 0.16 7 Fibra sintética 1.86 8 Gasa n.r. 9 Hueso 0.11 10 Hule 0.15 11 Jeringa desechable n.r. 12 Lata 1.74 13 Loza y cerámica 0.46 14 Madera 0.38 15 Material de construcción 0.32 16 Material ferroso 1.45 17 Material no ferroso 0.16 18 Neopreno (llantas) n.r. 19 Pañal desechable 4.58 20 Papel 10.24
28
21 Placas radiológicas n.r. 22 Plástico de película 4.74 23 Plástico rígido 3.14 24 Polietileno expandido 0.72 25 Poliuretano 0.20 26 Residuo alimenticio 45.37 27 Residuo de jardinería 4.86 28 Residuo fino 0.96 29 Toallas sanitarias n.r. 30 Trapo 0.87 31 Vendas n.r. 32 Vidrio de color 1.15 33 Vidrio transparente 3.00 34 Otros 5.29
T o t a l 100 n.r. = no representativo Tabla 1. Fuente: Ing. Felipe López Sánchez
Uno de los problemas en que el acento debe ponerse es cómo generar cada vez
menos residuos, de cualquier índole como los residuos plásticos. La reducción en
la fuente se refiere directamente al diseño y a la etapa productiva de los
productos, principalmente envases, antes de ser consumidos. La mejor solución
para los residuos contaminantes es la prevención. Aquellos procesos industriales
que tienen como objetivo reducir los residuos se denominan tecnologías limpias.
Se deben diseñar productos que minimicen la materia prima en el producto
acabado y que tengan una larga duración a fin de que no se conviertan
prematuramente en residuos, adoptando medidas para evitar pérdidas y
aumentar la eficiencia en su consumo.
Para calcular la energía para toda la vida del producto hay que tener en cuenta la
energía usada en la extracción de la materia prima, la realización del producto, el
consumo mientras el producto está en uso y la que se gasta cuando acaba la vida
útil del producto; así mismo se deben diseñar procesos industriales que no
contaminen y que los residuos generados idealmente puedan ser aprovechados
en el mismo proceso o tengan otras aplicaciones. Se trata aquí de minimizar su
producción y aprovechamiento de materias primas.
29
El reciclaje es una de las alternativas utilizadas para reducir el volumen de los
residuos sólidos. El símbolo del reciclaje representa las tres etapas fundamentales
que constituyen el ciclo, y que son:
• la recuperación de los materiales reciclables
• la manufactura de productos nuevos utilizando como materia prima el material
recuperado
• la compra y el uso de los productos elaborados con material reciclado
El proceso continuo antes mencionado se puede observar en la siguiente figura:
Ciclo de vida ideal de los productos que consume el hombre
Figura 13 Fuente: http://hogar-verde.com
La recuperación de los materiales reciclables es solo una parte del proceso de
reciclaje. Por lo tanto, para que un programa de reciclaje sea efectivo, es
necesario completar el ciclo realizando todas las etapas.
Siendo esta una manera de concebir los productos con un nuevo criterio
ambiental; generar menos residuos. Y esto es aplicable a todas las materias
primas: vidrio, papel, cartón, aluminio y plásticos.
30
En el caso de los plásticos, la reducción en la fuente es responsabilidad de la
industria petroquímica (fabricante de los diferentes tipos de plásticos), de la
industria transformadora (que toma esos materiales para fabricar los diferentes
productos finales), y de quien diseña el envase (envasador).
Aunque podría decirse que al consumidor también le corresponde una buena parte
de la responsabilidad: en las góndolas de los supermercados es él quien tiene la
facultad de elegir entre un producto que ha sido concebido con criterio de
reducción en la fuente y otro que derrocha materia prima y aumenta
innecesariamente el volumen de los residuos.
Reducir en la fuente significa referirse a la investigación, desarrollo y producción
de objetos utilizando menos recursos (materia prima). De ahí su denominación
porque se aplica a la faz productiva.
Al utilizar menos materia prima se producen menos residuos y además se
aprovechan mejor los recursos naturales. Minimizar el volumen y peso de los
residuos es el primer paso para resolver el problema global de los mismos. Todo
proceso de los Residuos Sólidos Urbanos debe comenzar por la reducción en la
fuente.
Algunas de las principales ventajas de la reducción en la fuente son las
siguientes:
• Disminuye la cantidad de residuos; es mejor no producir residuos que
resolver qué hacer con ellos
• Ayuda a que los rellenos sanitarios no se saturen rápidamente.
• Se ahorran recursos naturales –energía y materia prima- así como recursos
financieros
• La reducción en la fuente aminora la polución y el efecto invernadero.
• Requiere menos energía transportar materiales más livianos. Menos
energía significa menos combustible quemado, lo que implica a su vez
menor agresión al ambiente.
31
Etapas para reciclar el plástico: • Recolección: Todo sistema de recolección diferenciada que se implemente
descansa en un principio fundamental, que es la separación, en el hogar,
de los residuos en dos grupos básicos: residuos orgánicos por un lado e
inorgánicos por otro; en la bolsa de los residuos orgánicos irían los restos
de comida, de jardín, y en la otra bolsa los metales, madera, plásticos,
vidrio, aluminio. Estas dos bolsas se colocarán en la vía pública y serán
recolectadas en forma diferenciada, permitiendo así que se encaucen hacia
sus respectivas formas de tratamiento.
• Centro de reciclado: Aquí se reciben los residuos plásticos mixtos
compactados en fardos que son almacenados a la intemperie.
• Existen limitaciones para el almacenamiento prolongado en estas
condiciones, ya que la radiación ultravioleta puede afectar a la estructura
del material, razón por la cual se aconseja no tener el material expuesto
más de tres meses.
• Clasificación: Luego de la recepción se efectúa una clasificación de los
productos por tipo de plástico y color. Si bien esto puede hacerse
manualmente, se han desarrollado tecnologías de clasificación automática,
que se están utilizando en países desarrollados. Este proceso se ve
facilitado si existe una entrega diferenciada de este material, lo cual podría
hacerse con el apoyo y promoción por parte de los municipios.
Reciclado Mecánico El reciclado mecánico es el más difundido en la opinión pública, sin embargo este
proceso es insuficiente por sí solo para dar cuenta de la totalidad de los residuos.
Este un proceso físico mediante el cual el plástico post-consumo o el industrial
(scrap) es recuperado, permitiendo su posterior utilización.
32
Materiales recuperados mediante reciclado
Figura 14 Fuente: http://sialreciclaje.blogia.com/ Los plásticos que son reciclados mecánicamente provienen de dos grandes
fuentes. Los residuos plásticos proveniente de los procesos de fabricación, es
decir, los residuos que quedan al pie de la máquina, tanto en la industria
petroquímica como en la transformadora.
A esta clase de residuos se la denomina scrap. Es más fácil de reciclar porque
está limpio y es homogéneo en su composición, ya que no está mezclado con
otros tipos de plásticos. Algunos procesos de transformación (como el
termoformado) generan el 30-50% de scrap, que normalmente se recicla.
-Los residuos plásticos proveniente de la masa de Residuos Sólidos Urbanos
(RSU).
Estos se dividen a su vez en tres clases:
Reciclado Químico
Se trata de diferentes procesos mediante los cuales las moléculas de los
polímeros son craqueadas (rotas) dando origen nuevamente a materia prima
básica que puede ser utilizada para fabricar nuevos plásticos, ver figura 15.
33
Minimizar el volumen y peso de los residuos es el primer paso para resolver el
problema global de los mismos.
Reciclado químico de materiales plásticos
Figura 15 Fuente: http://sialreciclaje.blogia.com/
El reciclado químico comenzó a ser desarrollado por la industria petroquímica con
el objetivo de lograr las metas propuestas para la optimización de recursos y
recuperación de residuos.
Algunos métodos de reciclado químico ofrecen la ventaja de no tener que separar
tipos de resina plástica, es decir, que pueden tomar residuos plásticos mixtos
reduciendo de esta manera los costos de recolección y clasificación. Dando origen
a productos finales de muy buena calidad.
Así los principales procesos químicos existentes son:
Pirolisis: Es el craqueo de las moléculas por calentamiento en el vacío. Este
proceso genera hidrocarburos líquidos o sólidos que pueden ser luego procesados
en refinerías.
Hidrogenación: En este caso los plásticos son tratados con hidrógeno y calor.
Las cadenas poliméricas son rotas y convertidas en un petróleo sintético que
puede ser utilizado en refinerías y plantas químicas.
Gasificación: Los plásticos son calentados con aire o con oxígeno. Así se
obtienen los siguientes gases de síntesis: monóxido de carbono e hidrógeno, que
34
pueden ser utilizados para la producción de metanol o amoníaco e incluso como
agentes para la producción de acero en hornos de venteo.
Quimiolisis: Este proceso se aplica a poliésteres, poliuretanos, poliacetales y
poliamidas. Requiere altas cantidades separadas por tipo de resinas. Consiste en
la aplicación de procesos como hidrólisis, glicólisis o alcohólisis para reciclarlos y
transformarlos nuevamente en sus monómeros básicos para la repolimerización
en nuevos plásticos.
Metanólisis: Es un avanzado proceso de reciclado que consiste en la aplicación
de metanol en el PET. Este poliéster (el PET), es descompuesto en sus moléculas
básicas, incluido el dimetiltereftalato y el etilenglicol, los cuales pueden ser luego
repolimerizados para producir resina virgen.
Varios productores de polietilentereftalato están intentando de desarrollar este
proceso para utilizarlo en las botellas de bebidas carbonadas. Las experiencias
llevadas a cabo por empresas como Hoechst-Celanese, DuPont e Eastman han
demostrado que los monómeros resultantes del reciclado químico son lo
suficientemente puros para ser reutilizados en la fabricación de nuevas botellas de
PET. Ver figura 15.
35
El reciclaje de Pet lo llevan a cabo las grandes refresqueras
Figura 16 Fuente: http://www.cnnexpansion.com/manufactura
Perspectivas del reciclado químico: El reciclado químico se encuentra hoy en una etapa experimental avanzada, es de
suponer que en los próximos años pueda transformarse en una poderosa y
moderna herramienta para tratar los residuos plásticos.
El éxito dependerá del entendimiento que pueda establecerse entre todos los
actores de la cadena: petroquímicas, transformadores, grandes usuarios,
consumidores y municipios, a los fines de asegurar la unidad de reciclado y que la
materia prima llegue a una planta de tratamiento.
La sociedad debe estar preparada para tal cambio de tecnología en lo que hace al
tratamiento de los residuos plásticos. Por su parte, la industria petroquímica está
trabajando en la definición de especificaciones técnicas a los fines de garantizar la
calidad de los productos obtenidos a través del reciclado químico.
Si bien el reciclado mecánico se halla en un estado más evolucionado, éste solo
no alcanza para resolver el problema de los residuos. No sería inteligente
desdeñar cualquier otra forma de tratamiento por incipiente que fuera. Lo que hoy
36
parece muy lejano puede que dentro de las próximas dos décadas se convierta en
una realidad concreta.
En el caso de los plásticos se debe tener en cuenta que se trata de hidrocarburos,
por lo que, para un recurso no renovable como el petróleo, es especialmente
importante desarrollar técnicas como el reciclado químico para generar futuras
fuentes de recursos energéticos. Los plásticos post-consumo de hoy pueden
considerarse como los combustibles o las materias primas del mañana. Además,
el reciclado químico contribuirá con la optimización y ahorro de los recursos
naturales al reducir el consumo de petróleo crudo para la industria petroquímica.
De todas las alternativas de valorización quizá ninguna esté hecha tan a medida
de los plásticos como el reciclado químico. Es muy probable que se transforme en
la vía más apropiada de recuperación de los residuos plásticos, tanto domiciliarios
como los provenientes del scrap (post-industrial), obteniéndose materia prima de
calidad idéntica a la virgen. Esto contrasta con el reciclado mecánico, donde no
siempre se puede asegurar una buena y constante calidad del producto final.
El reciclado químico ofrece posibilidades que resuelven las limitaciones del
reciclado mecánico, que necesita grandes cantidades de residuos plásticos
limpios, separados y homogéneos para poder garantizar la calidad del producto
final.
Los residuos plásticos domiciliarios suelen estar compuestos por plásticos livianos,
pequeños, fundamentalmente provenientes de los envases, pueden estar sucios y
presentar substancias alimenticias. Todo esto dificulta la calidad final del reciclado
mecánico, ya que se obtiene un plástico más pobre comparado con la resina
virgen.
Por lo tanto, los productos hechos de plástico así reciclado se dirigen a mercados
finales de precios bajos. Por el contrario, el reciclado químico supera estos
inconvenientes, ya que no es necesaria la clasificación de los distintos tipos de
resinas plásticas proveniente de los residuos. En este proceso pueden ser
37
tratados en forma mixta, reduciendo costos de recolección y clasificación.
Además, lleva a productos finales de alta calidad que sí garantizan un mercado.
Toda estrategia de gestión integral de los Residuos Sólidos Urbanos debe prever y
contemplar la posibilidad del reciclado químico. El tratamiento de los residuos
plásticos no puede ser resuelto unilateralmente por uno u otro proceso, debiendo
analizarse las diferentes alternativas de reciclado.
2.2 Producción más limpia
La contaminación ambiental de todo tipo crea problemas en todo el mundo. Así en
los últimos años se ha desarrollado el concepto ‘tecnologías limpias’, que no
producen contaminantes e involucra procesos energéticos eficientes.
Producción más limpia (PL) es el término internacional para lograr la reducción de
impactos ambientales de procesos, productos y servicios a través del uso de
mejores estrategias, métodos y herramientas de gestión (PL es llamada
Prevención de la Contaminación en Norteamérica, y Producción más Limpia (PL)
en América Latina. Términos relacionados incluyen negocios verdes, negocios
sustentables, eco-eficiencia y minimización de los residuos.
PL se enfoca en la mejora de procesos y productos con el fin de evitar problemas
ambientales antes de que ocurran. Es económicamente y ambientalmente superior
a estrategias tradicionales de controles al final del proceso ("end-of-pipe") o
tecnologías de limpieza (clean-up).
En los Estados Unidos, PL es definida por la Pollution Prevention de 1990 como
"el uso o modificación de procesos o prácticas que reducen o eliminan la creación
de contaminantes o residuos en la fuente y, cuando los contaminantes o residuos
no pueden ser impedidos, la utilización de procesos ambientalmente sensatos o
reciclaje en circuito cerrado “(closed-loop recycling)."
La mejor manera de implementar PL es, sistemáticamente, a través de toda la
organización involucrada. Un Sistema de Gestión Ambiental (EMS), es un buen
acercamiento. Un sistema total como este ayuda a organizaciones, especialmente
38
negocios, a gestionar su actuación ambiental. Disciplinas formales tales como el
estándar ISO 14001 para Sistemas de Gestión ambiental se están usando más y
más: en Chile, por ejemplo, un portavoz de FUNDES hizo un llamado a su rápida
aplicación.
Otras formas de evaluación tales como la Red Internacional para la gestión
Ambiental (INEM, The International Network for Environmental Management), por
ejemplo, tiene una guía para informar sobre sustentabilidad basada en los
lineamientos de la Iniciativa Global de Informe (GRI, Global Reporting Initiative).
La GRI está desarrollando un marco de referencia aplicable globalmente que
permite informar cuan sustentable es la actuación de una organización, las
dimensiones económicas y sociales de sus actividades, productos y servicios.
Iniciada en 1997 por la Coalición de Economías Responsables Ambientalmente
(CERES por su sigla en inglés), la GRI se independizó en el 2002, y es un centro
que colabora oficialmente con el Programa Ambiental de las Naciones Unidas
(UNEP) y trabaja en cooperación con el Global Compact del Secretario-General de
la ONU, Kofi Annan.
"Hay al menos varias miles de organizaciones en el mundo enfocadas
exclusivamente en PL y Prevención de la Contaminación." Así dice Burton
Hamner, autor del CD-Rom, "Greatest Hits Collection for Cleaner Production and
Pollution Prevention." Hay también, aunque no tantos, un amplio rango de
sistemas no sólo de evaluación sino de contabilidad, compitiendo los unos con los
otros para integrar y proveer los medios más completos, más satisfactorios y más
consistentes y generalmente aplicables y aceptables para evaluar impactos
ambientales.
39
2.3 Tecnologías limpias
Una tecnología limpia es la tecnología que al ser aplicada no produce efectos
secundarios o trasformaciones al equilibrio ambiental o a los sistemas naturales
(ecosistemas).
Para abordar la cuestión de la sostenibilidad ecológica de las actividades
industriales puede ser útil contemplar la compatibilización ecológica de la actividad
industrial como un proceso lineal o secuencial, en el que se avanza a lo largo del
tiempo mediante la progresiva introducción de criterios ecológicos en la gestión de
los sistemas industriales, bajo la presión de la creciente conciencia ambiental.
Este proceso de adaptación comenzó a desarrollarse de manera palpable en los
países industrializados a finales de los años sesenta, y tomó carta de naturaleza
sobre todo a partir de la Conferencia de Estocolmo de 1972, y de la aceptación por
la OCDE, en la misma época, del principio de "el que contamina paga". Desde
entonces, todos los países industrializados han venido acumulando una extensa
normativa medioambiental para el control de las actividades industriales, y en
respuesta a la misma, la tecnología y los métodos de producción industrial han
intentado adaptarse a las nuevas restricciones, aunque con decisión y acierto muy
variables por parte de las diferentes empresas, ramas industriales y países.
En un intento de delimitar las etapas características de este proceso, se
podrían deslindar cuatro grandes fases, aunque tanto la definición de cada una de
ellas como las fronteras entre unas y otras distan de ser nítidas como se puede
ver enseguida:
a. La reducción de la contaminación en la industria tradicional.
b. La renovación tecnológica ambiental de los procesos industriales.
c. La globalización industrial en el marco del desarrollo sostenible.
d. La reinserción de la producción en su base ecológica local.
40
Sobre tecnologías limpias, lo más destacable, es la reducción de los desechos no
biodegradables, y la autosostenibilidad ambiental, es decir, la reposición del gasto
ecológico causado por la actividad manufacturera. Un ejemplo, si una compañía
maderera piensa utilizar 10,000 árboles, deberá reponerlos íntegramente y
además pagar por el uso del recurso.
Ventajas: Desarrollo sostenible, administración limpia de recursos,
autodestrucción y reciclaje de desechos.
Desventajas: Generalmente la adopción de tecnologías limpias es sinónimo de
aumentos considerables en los costos de producción y fabricación, lo cual no es
bueno para las utilidades de las empresas.
Mercadeo Verde Mercadeo Verde es la inserción de conceptos ambientales a las actividades
tradicionales de mercadeo. Sabemos que las empresas necesitan promocionar
sus productos y servicios, ofreciendo la calidad de éstos, las ventajas de precio u
otras diferencias que las distinguen de sus competidoras; el mercadeo verde no
significa necesariamente un cambio radical de todas las actividades
organizacionales, sino que requiere que la industria considere si puede dirigir las
necesidades del consumidor a una tendencia menos dañina en términos
ambientales.
Aplicar políticas verdes, sin embargo, supone un mejoramiento continuo de las
actividades organizacionales. El mercadeo verde crea valor adicional en los
productos de la empresa y en las actividades que ésta realiza, aunque todos esos
valores sean cuantificables financieramente. La integración de conceptos
ambientales a las actividades de mercadeo puede forzar a las empresas a que se
pregunten qué deben hacer.
41
Tecnologías Limpias
Figura 17 Fuente: bp.blogspot.com/
2.4 Procesos de regeneración de residuos Se trata de procesar los residuos urbanos de forma que se obtengan productos
adicionales que puedan tener interés económico. Estos pueden ser:
a). Transformación anaerobia de la fracción orgánica, con producción de biogás. Al fermentar la materia orgánica de los residuos urbanos después de ser
depositados en las zonas de vertido y tras ser cubiertos con material inerte, se
generan biogás y lixiviados o licores que contienen agua y una elevada carga
contaminante. El biogás está compuesto por los componentes que a continuación
se muestran en la siguiente tabla:
Composición característica del Biogás
CARACTERISTICAS CH4 CO2 H2-H2S OTROS BIOGAS 60/40
Proporciones % Volumen
55-70 27-44 1 3 100
Valor Calórico MJ/m3 35,8 - 10,8 22 21,5 Valor Calórico k Cal/m3 8600 - 2581 5258 5140 Ignición % en aire 5-15 - - - 6-12 Temp. ignición en ºC 650-750 - - - 650-750 Presión crítica en Mpa 4,7 7,5 1,2 8,9 7,5-8,9 g/l 0,7 1,9 0,08 - 1,2 Densidad relativa 0,55 2,5 0,07 1,2 0,83 Inflamabilidad Vol. en % aire
5-15 - -
Tabla. 2 Fuente: http://www.textoscientificos.com/energia/biogas.
42
b). Transformación aerobia de la fracción orgánica, con producción de composta. Consiste en la transformación de la fracción orgánica de los residuos
orgánicos de los residuos urbanos, mediante una fermentación aerobia, mediante
la cual se obtiene un producto de características intermedias entre un fertilizante
orgánico y un regenerador de suelos. A continuación se muestran en la siguiente
tabla los procesos generales de producción de composta.
2.5 Casos prácticos de tecnologías básicas de reciclado, recuperación y de aprovechamiento de residuos A continuación se muestran algunos casos exitosos de tecnologías de reciclado a
nivel internacional y nacional:
Desarrollo de un Sistema para la Separación de Aleaciones Metálicas, en motores
de vehículos fuera de uso (VFU), para su Reutilización en Nuevos Motores y
Componentes. Zaragoza- España.
El objetivo de este proyecto es la separación, recuperación, revalorización y
reintegración de los diferentes materiales, existentes en los motores de los
automóviles, mediante un proceso automático que asegure una separación con un
99% de pureza para metales como el acero, aluminio y metales pesados.
El ciclo de fabricación se cierra con la reutilización de estos metales en la posterior
fabricación de nuevos motores y componentes de automóviles: cajas de cambio,
bloqueo de motor etc. El proceso obtiene un 100% de eficiencia en la recuperación
del aluminio.
Esto requiere de la instalación de una planta piloto para la fragmentación y
separación de los metales constitutivos de motores de VFU, usando la tecnología
más avanzada: aislamiento acústico, extracción a base de agua de las partículas
de polvo, clasificación granulométrica, separación por flotación. Y que el proceso
será flexible y suficientemente adaptable para hacer frente a las aleaciones futuras
usadas en motores. En la tabla 3 se muestran las composiciones metálicas de los
motores VFU.
43
Composición media en materiales de motores VFU
Metales férricos 74.2%
Aluminio 15.6%
Metales pesados 7.2%
Plásticos 2.9% Tabla 3 Fuente: http://www.aclima.net/aclima/casospracticos
El proceso de recuperación automática de este proyecto es innovador no
únicamente en Europa, sino para el mundo, ya que no existe en la actualidad
ninguna instalación de proceso continuo de motores de VFU con la capacidad de
separar automáticamente metales como acero y aluminio con un nivel de
impurezas inferior al 1% únicamente a partir de motores de automóvil y mediante
procesos físicos de separación no químicos, como se observa en la figura
siguiente:
Centro de reciclado de BMW en Alemania
Figura 18 Fuente: http://www.myautomovil.com
Contra lo que pudiera pensarse, resulta que los productos más reciclados no son
las botellas ni el papel.
En Estados Unidos el producto más reciclado es el auto, así lo afirman las cifras
de la Enviromental Protection Agency (EPA), donde los autos vencieron al ser
reciclados en un 95 por ciento.
44
Unidad 3. Cogeneración de energía
Objetivo Educacional. El alumno comprenderá los mecanismos de gestión de
energía así como la utilización de esquemas de cogeneración como una
herramienta importante para aprovechar los residuos combustibles.
Definición
La cogeneración se define como la producción secuencial de energía eléctrica y/o
mecánica y de energía térmica aprovechable en los procesos industriales a partir
de una misma fuente de energía primaria, y es hoy, una alternativa como método
de conservación de energía para la industria, acorde con las políticas de
globalización económica regional y a la política internacional orientada a lograr un
desarrollo sustentable.
En una planta de generación termoeléctrica se quema normalmente un
combustible fósil para producir vapor a alta temperatura y presión, el cual se hace
pasar por una turbina para generar energía eléctrica.
En este proceso, aún en las plantas más eficientes, se logra la conversión a
electricidad de menos del 40% de la energía disponible como calor en el
combustible; el resto se descarga a la atmósfera, mediante los gases producto de
la combustión que salen por la chimenea del generador de vapor, en los sistemas
de condensación y enfriamiento del ciclo termodinámico. Ver figura 18 de
termoeléctrica.
45
Emisión de gases por una Termoeléctrica
Figura 19 Fuente: http://accionyreaccion.wordpress.com
Aunque la cantidad de calor que se desecha a la atmósfera es muy grande, es de
baja temperatura relativa, en otras palabras de baja capacidad para realizar un
trabajo útil dentro de las plantas generadoras.
La mayoría de los procesos industriales y aplicaciones comerciales, requieren de
vapor y calor a baja temperatura. Así ellos pueden combinar la producción de
electricidad y calor para los procesos, aprovechando la energía que de otra forma
se desecharía, como ocurre en las centrales termoeléctricas convencionales; a
esta forma de aprovechar el calor de desecho se le conoce como cogeneración.
3.1 Gestión y ahorro energético Actualmente el hombre cuenta con muy diversas fuentes para la generación de
energía, las cuales son susceptibles de ser aprovechadas para la producción de
calor y trabajo, en la siguiente tabla se presenta una comparación entre estas.
Se puede observar que las plantas hidroeléctricas son las requieren una mayor
inversión, seguidas de las centrales nucleares, las carboeléctricas y las que
trabajan con turbogás, mientras que las centrales termoeléctricas son las que
requieren una menor inversión.
46
En cuanto al costo del combustible, las plantas que gastan más en el son las que
trabajan con turbogás al igual que los ciclos combinados; en contraste las
hidráulicas y las geotermoeléctricas son las que realizan un gasto mucho menor,
debido a que su combustible son las caídas del agua, o bien, el vapor. Finalmente,
los costos de operación y mantenimiento son mayores en las plantas
geotermoeléctricas, seguidas de las plantas que trabajan con turbogás y las que
requieren un menor costo de mantenimiento y operación son las hidráulicas y las
de ciclo combinado.
3.2 Políticas de ahorro y uso eficiente de energía Por conservación de energía se entiende toda actividad que tenga por finalidad
prevenir el desperdicio de un recurso energético primario no renovable. Algunos
de los objetivos principales para la conservación de la energía son:
Reducir costos y efectuar un mejor manejo de los recursos
económicos.
Favorecer una mejor distribución de los recursos energéticos.
Proteger la salud humana y el medio ambiente
Prolongar la explotación del abastecimiento de fuentes de energía no
renovables.
Las medidas para la conservación de energía se pueden aplicar en las diferentes
etapas del procesamiento:
1. La extracción del combustible. Se refiere a la mejor explotación de
la materia prima; por ejemplo eficientar la explotación del petróleo,
del gas natural, del carbón entre otros. Un mejor enriquecimiento, recuperación y reciclado de combustibles
nucleares etc.
47
2. El transporte del combustible. Se pretende mejorar el rendimiento,
evitando fugas o derrames. 3. El uso. Se busca sustituir las fuentes no renovables por renovables,
por ello se recurre a la tecnología no convencional (geotermia,
combustión de residuos sólidos, etc).
Cabe señalar que algunas de las medias a favor de la conservación de la energía
se pueden contraponer con otras metas de la sociedad; por ejemplo las líneas de
mayor eficiencia requieren amplias extensiones de terreno y tienen mayores
requerimientos energéticos además de ser poco estéticas.
Además, la mayoría de las veces las medidas de conservación de energía
provocan mayores costos de inversión, aunque una mejor rentabilidad.
Sin duda, con una mejor selección de la fuente, que contemple no sólo criterios
ecológicos sino también sociales y económicos, el medio ambiente se verá
fácilmente beneficiado.
Políticas estimuladas por la Secretaría de Energía (SENER). En apoyo a la economía de las familias mexicanas, el Gobierno del Presidente
Felipe Calderón presentó el Programa Luz Sustentable, que consiste en sustituir
focos incandescentes por lámparas fluorescentes compactas para uso en el sector
doméstico, lo que representará ahorros de hasta el 18% en la factura eléctrica.
La sustitución de lámparas ahorradoras se llevará a cabo entregando a cada
familia de bajos ingresos, 4 lámparas ahorradoras a cambio de 4 focos
incandescentes. El objetivo del programa es sustituir alrededor de 47 millones de
focos incandescentes por lámparas fluorescentes compactas.
El Programa no solo traerá beneficios económicos, ya que también ayudará a
reducir al menos 780 mil toneladas de CO2 al año, lo que equivale a evitar el
consumo de 2.7 millones de barriles de petróleo.
Para ello, se publicado en el Diario Oficial de la Federación una nueva Norma
Oficial Mexicana para eliminar gradualmente del mercado nacional los focos
incandescentes y que puedan ser sustituidos por focos ahorradores de energía.
48
De manera tal que a partir de diciembre de 2011, no se permitirá la venta de focos
de 100 watts; a partir de diciembre de 2012 no se comercializarán focos de 75
watts, y a partir de diciembre de 2013, se quitarán del mercado los focos de 40 a
60 watts.
Lámparas Ahorradoras
Figura 20 Fuente: http://www.sener.gob.mx/portal
En nuestro país se estima que una quinta parte de la energía eléctrica es utilizada
para generar iluminación y, a nivel mundial, esta acción genera el seis por ciento
de las emisiones globales de gases de efecto invernadero.
Por ello, el Programa Luz Sustentable está orientado a transformar la manera en
que los mexicanos consumimos energía y con ello contribuir a mitigar el cambio
climático.
A fin de ejecutar el programa, el Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica
(FIDE) lanzó un concurso internacional abierto, que incluye el suministro de
lámparas ahorradoras, la instalación de puntos de canje, la entrega y sustitución,
así como el acopio y disposición final de los focos incandescentes.
3.3 Clasificación de los sistemas de cogeneración
En base a la producción de electricidad y calor, los sistemas de cogeneración
pueden clasificarse de acuerdo al orden de producción de electricidad y energía
térmica en:
49
• Sistemas superiores (Topping Cycles)
• Sistemas inferiores (Bottoming Cycles)
Los sistemas superiores de cogeneración, que son los más frecuentes, son
aquellos en que una fuente de energía primaria (como el gas natural, diesel,
carbón u otro combustible similar) se utiliza directamente para la generación de
electricidad. A partir de la energía química del combustible se produce un fluido
caliente que se utiliza para generar la energía mecánica y la energía térmica
resultante, el denominado calor residual como vapor o gases calientes, es
suministrado a los procesos industriales, ya sea para secado, cocimiento o
calentamiento que constituye una segunda etapa. Este tipo de sistemas se utilizan
principalmente en la industria textil, petrolera, papel, cervecera, alimenticia,
azucarera entre otras, donde sus requerimientos de calor son moderados o bajos
con temperaturas de 250 a 600 °C.
Por otra parte en los sistemas inferiores, la energía se utiliza directamente para
satisfacer los requerimientos térmicos de la primera etapa mencionada
anteriormente y la energía térmica residual o de desecho, se usará para la
producción de energía eléctrica en la segunda etapa.
Los ciclos inferiores están asociados con los procesos industriales en los que se
presentan altas temperaturas como el cemento, la siderúrgica, vidriera y química.
En tales procesos resultan calores residuales del orden de 900°C.
Al generar electricidad mediante una dinamo o alternador, movidos por un motor
térmico o una turbina, el aprovechamiento de la energía química del combustible
es del 25% al 40% solamente, y el resto debe disiparse en forma de calor. Con la
cogeneración se aprovecha una parte importante de la energía térmica que
normalmente se disiparía a la atmósfera o a una masa de agua y evita volver a
generarla con una caldera. Además evita los posibles problemas generados por el
calor no aprovechado.
50
La eficiencia de la planta se puede medir mediante unos coeficientes: el FUE,
factor de uso de energía, que es el cociente de la energía eléctrica generada, más
el calor útil, entre el calor aportado al MCIA. Y el RCE, relación calor/electricidad,
que es el cociente entre el calor útil o aprovechable, y la potencia eléctrica
generada por el MCIA. El primero es el más importante ya que nos da una idea del
rendimiento global de la instalación. Existe una gran variedad de quipos y
tecnologías que pueden ser considerados para una aplicación especifica de
cogeneración. Cada tecnología tiene sus características propias, que deben ser
consideradas en el contexto de los requerimientos específicos del lugar. En la
tabla 4 se muestran las abreviaturas utilizadas en la cogeneración de energía.
Abreviaturas en la cogeneración de energía
E.E. Energía eléctrica
E.T. Energía Térmica
R.C. Recuperador de calor
G.V. Generador de vapor
G.V.R.C. Generador de vapor con recuperación de calor.
Tabla 4. Fuente: http://www.weg.net/mx
Otra clasificación de los sistemas de cogeneración es en base al motor como
generador de electricidad:
• Cogeneración con turbina de vapor.
• Cogeneración con turbina de gas
• Cogeneración con ciclo combinado
• Cogeneración con motor alternativo
De acuerdo con este criterio algunas de las ventajas de la cogeneración son:
51
o 1. Reducción de costes energéticos para el usuario.
o 2. Independencia de la red eléctrica y seguridad en el suministro.
o 3. Mayor protección del medio ambiente. Las plantas de cogeneración
cumplen con las normas medio ambientales más estrictas.
o 4. Mayor eficiencia en la generación de energía, reducción de las pérdidas
por transmisión y distribución.
El potencial de ahorro de energía primaria que ofrecen las plantas de
cogeneración con motores de gas y diesel es muy alto al compararlo con la
generación separada de electricidad y calor, lo que se traduce en una importante
reducción de los costos energéticos para el usuario. Ver figura 21.
Comparativo Sistema Convencional de Energía Vs Cogeneración
Figura 21 Fuente: http://www.sener.gob.mx/portal
52
3.4 Impacto Ambiental Se entiende por impacto ambiental el efecto que produce una determinada
acción humana sobre el medio ambiente en sus distintos aspectos.
Las acciones humanas, motivadas por la consecución de diversos fines, provocan
efectos colaterales sobre el medio natural o social. Mientras los efectos
perseguidos suelen ser positivos, al menos para quienes promueven la actuación,
los efectos secundarios pueden ser positivos y, más a menudo, negativos.
La evaluación de impacto ambiental (EIA) es el análisis de las consecuencias
predecibles de la acción; y la declaración de Impacto ambiental (DIA) es la
comunicación previa, que las leyes ambientales exigen bajo ciertos supuestos, de
las consecuencias ambientales predichas por la evaluación.
3.5 Marco jurídico específico
Para el ahorro y uso eficiente de energías es necesario desarrollar e implementar
legislaciones que fomente su mejor aprovechamiento en los sectores de mayor
consumo como lo son el sector residencial, la industria, transporte y el comercio.
Sector residencial y comercial.
En este sector el ahorro y uso eficaz implican la legislación y aplicación de normas
en edificios públicos y privados, en instalaciones comerciales y en viviendas.
Además, sería necesario un rendimiento mínimo en los sistemas de calefacción,
refrigeración, aire acondicionado etc. Así como la ejecución de campañas dirigidas
al público para ahorrar energía (Vega, 1988).
Sector industrial.
Consume gran parte de la energía producida en el país (64.6% en 1985). Dentro
de este sector las principales industrias son Pemex, Comisión Federal de
53
Electricidad, la industria Siderúrgica, del cemento, del azúcar, la textil, la química,
del vidrio, la minera, del papel etc. (Vega, 1988).
1. Llevar a cabo programas de mantenimiento preventivo y correctivo en los
sistemas de producción, transformación, almacenamiento y uso de energía.
2. Diseñar, construir y utilizar equipos y sistemas más eficaces en este sentido.
3. Diseñar y ejecutar procesos energéticamente más eficientes de
industrialización.
4. Emplear fuentes alternas de generación de energía tales como: solar, eólica y
biomasa en función de la viabilidad técnica y económica.
5. Recuperar el calor de desecho mediante el perfeccionamiento de sistemas de
intercambio de calor, o bien, con la instalación de sistemas de generación de
electricidad por ejemplo, turbinas a partir de la fuente previamente
desperdiciada (cogeneración).
Sector de transporte. En México aproximadamente la mitad de los viajes por persona al día son por
motivos de trabajo y enseguida por el transporte escolar. En 1979, en las horas de
mayor tráfico, la velocidad promedio alcanzada tuvo un valor máximo de 27.2 km/h
y mínimo de 11.7 km/h; en 1983 estos valores eran de 24.2 y 22.9 km/h
respectivamente. Es decir, el consumo de energía del sector de transporte está
bien tipificado.
Las posibilidades de ahorro y de buen uso están relacionadas con diversos
aspectos. Como medidas para el ahorro de energía se podrían considerar:
1. Instalar, mediante abonos por parte de la gente que los usa con frecuencia,
una ruta de autobuses de primera clase.
2. Adquirir vehículos compactos de alto rendimiento.
3. Normar la fabricación futura de camionetas para optimar el espacio vial.
4. Establecer zonas restringidas al tráfico vehicular en horas pico.
5. Establecer en ejes y periférico carriles de preferencia en horas pico.
54
6. Ampliar el tren ultraligero de sustentación magnética.
7. Mayor eficiencia de la máquina motriz (mayor kilometraje por volumen de
combustible).
8. Mejorar los hábitos del conductor:
a) Evitar el manejo no uniforme (arranques acelerados).
b) Mantenimiento adecuado de los automóviles.
c) Favorecer una buena vialidad, para evitar los embotellamientos.
9. Cambiar la mentalidad de los consumidores:
a) Desarrollar la preferencia de transportes en común.
b) Organizar uso compartido de automóviles.
10. Mejorar el transporte de uso oficial.
11. Organizar el transporte.
12. Organizar a la gente para evitar el uso de topes.
Es interesante enfatizar que en el sector transporte la ineficiencia en la utilización
de energía es provocada en parte, por el consumidor, quien siempre busca su
comodidad o una mayor rapidez, como se muestra en la tabla 5.
Medio de transporte
Kcal /pasajero km
Suburbano
Kcal /pasajero km
Entre ciudades
Bicicleta 31.50 S/D
Caminar 47.12 S/D
Camión 579.59 252
Tren 453.59
Automóvil 1,275.60 531.71
Avión 1,315.42 Tabla 5 Fuente: Adaptado de Holum, 1977
55
3.5.1 La Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (Conae)
En 1989 se creó la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, Conae, como un
órgano técnico de consulta e instancia de concertación de todos los sectores de la
sociedad en estas materias; posteriormente, la CFE, después de 15 años de
programas de ahorro de energía, institucionalizó el Programa de Ahorro del Sector
Eléctrico (PASE) y constituyó el fideicomiso de apoyo al Programa de Ahorro de
Energía del Sector Eléctrico (Fide) para promover el ahorro y uso eficiente entre
los usuarios finales.
Dentro de las funciones de la Conae se encuentran:
La definición de las estrategias y de los programas nacionales de
energía.
La normalización la asistencia técnica, la promoción, difusión del
ahorro y uso eficiente de la energía, para lo que se desarrollan
actividades de uso, diseño, desarrollo de proyectos y programas de
educación, capacitación, difusión, y promoción de la cultura de las
acciones de eficiencia energética.
Un ejemplo de lo anterior es el Comité de Ahorro de Energía Pemex – Conae,
creado en 1994, que trabaja 43 proyectos relacionados con calentadores de fuego
directo, sistemas de enfriamiento, aprovechamiento de gases de desfogue,
recuperación de condensados y sistemas de alumbrado exterior e interior;
además, en la promoción de la eficiencia energética y térmica de los procesos, la
reducción de pérdidas por evaporación en los tanques de almacenamiento de
combustibles y en las estaciones de servicio, el quemado innecesario de fugas de
gas natural.
Por otra parte, el PASE promueve la eficiencia energética en la generación de
electricidad y la reducción de pérdidas en la transmisión y distribución así como
las conexiones clandestinas. Al mismo tiempo, la Conae ha iniciado la exploración
56
de la aplicación integral de la Administración del lado de la demanda, que implica
generar tarifas horarias para grandes usuarios y auditorias a usuarios comerciales
e industriales.
En función de la demanda, Conae ha organizado sus actividades de trabajo en las
siguientes áreas temáticas:
Normalización. En los últimos tres a años se han publicado 16 NOMX que
establecen los coeficientes mínimos de consumo en equipos electrodomésticos,
motores eléctricos, bombas, aire, acondicionado, lámparas, sistemas de
alumbrado interior y exterior y materiales de aislamiento térmico. Lo anterior
equivale a un ahorro anual de dos millones de MWh, equiparable al consumo
conjunto de los estados de Campeche, Colima y Nayarit.
Instalaciones industriales. Se ha desarrollado una metodología específica para
el análisis de la eficiencia energética en sistemas de generación y distribución de
vapor. Además, se entregan incentivos a través del FIDE para la comercialización
de 155, 000 motores eléctricos y 6,000 compresores de alta eficiencia y se
promueve la sustitución de unidades de alumbrado.
Sector residencial. Se ha promovido la sustitución de lámparas incandescentes
de baja eficiencia por lámparas fluorescentes compactas. Se estima un ahorro de
160 GWh es equivalente a una capacidad de 100MW.
Sector agrícola. Se promueve la rehabilitación de sistemas de bombeo y una
NOM para la eficiencia energética de las bombas.
Como un esfuerzo especial del país y del sector energético se continuará
aplicando el horario de verano, el cuál fue establecido por decreto presidencial el
4 de enero de 1996. Este programa consiste en adelantar el reloj una hora en los
meses de mayor insolación (del primer domingo de de abril al último domingo de
octubre), con objeto de aprovechar más luz del día para realizar las actividades
57
cotidianas. Se estima que el ahorro de energía eléctrica a escala nacional es del
orden de 942 GWh /año, equivalente al 0.83% del consumo anual de electricidad
en el país (considerando el consumo de 1995.
Y con ello se reduce el consumo de 1.7 millones de barriles de combustóleo al
año. Cabe destacar que de acuerdo con Jiménez et al. 2000, en un estudio
reciente realizado por la UNAM se encontró que la disminución de las emisiones
de contaminantes por el cambio de horario de verano es despreciable.
Unidad 4. Conversión de biomasa
Objetivo Educacional. Entenderá las vías bioquímicas y termoquímicas utilizadas
en la conversión de biomasas.
4.1 Rutas bioquímicas y vías termoquímicas
Se entiende por biomasa como toda aquella materia orgánica de origen reciente
que haya derivado de animales y vegetales como resultado del proceso de
conversión fotosintético. La energía de la biomasa deriva del material de vegetal y
animal, tal como madera de bosques, residuos de procesos agrícolas y forestales,
y de la basura industrial, humana o animales.
El valor energético de la biomasa de materia vegetal proviene originalmente de la
energía solar a través del proceso conocido como fotosíntesis. La energía química
que se almacena en las plantas y los animales (que se alimentan de plantas u
otros animales), o en los desechos que producen, se llama bioenergía.
La pirolisis es una reacción muy utilizada para la basura rica en papel y otras
materias orgánicas. Con altas temperaturas y en ausencia de oxígeno los residuos
se transforman mediante un proceso endotérmico de rompimiento y condensación
en:
58
1. Una corriente gaseosa que contiene H2, CH4, CO2, CO y otros gases. La
proporción de cada uno de ellos es función del producto original y de la
temperatura, el gas obtenido tiene un contenido energético de 6,300 kcal/m3.
2. Una fracción compuesta de alquitrán y/o aceite que se estima tiene un valor
calorífico de 5,544 kcal/kg. Se forman además, otros compuestos como ácido
acético, acetona y metanol.
El residuo formado prácticamente de carbón y restos de material inerte.
Para la celulosa, la siguiente reacción es representativa de su descomposición:
3 (C6H10O5) 8 H2O + C6H8O6 + 2CO2 + CO + CH4 + H2 + 7C
La pirolisis se utiliza en el tratamiento de algunos residuos sólidos industriales por
ejemplo, la compañía Firestone ha aplicado este tratamiento en de llantas usadas
dando por resultado un producto con 55% de una mezcla de líquidos semejantes
Al petróleo y 45% de un residuo carbonizado.
En la siguiente tabla se resumen los principales procesos químicos y sus
características para la recuperación de energía.
Principales procesos químicos para la recuperación de energía
PROCESO PRODUCTO FINAL
PRETRATAMIENTO COMENTARIO
Incineración Energía en forma de vapor
Ninguno Se necesita un uso determinado de energía. Existen muchas aplicaciones industriales. Altos requerimientos para el control de la contaminación del aire.
Ignición con combustible
Energía en forma de vapor
Reducción del tamaño, separación con aire y
Menor costo inicial con requerimientos
59
magnética. elevados para el control de la contaminación
Pirólisis Energía en forma de vapor
Reducción de tamaño y separación magnética
Tecnología probada en instalaciones piloto. Problemas de contaminación de aire
Hidrólisis Glucosa y furfural
Reducción de tamaño y separación de aire
En estudio
Conversión química
Combustóleo gas y acetato de celulosa
Reducción de tamaño y separación con aire
En estudio
Tabla 6 Fuente: Tchobanoglous et al., 1977
4.1.1 Ventajas de la biomasa
La biomasa es una fuente renovable de energía y su uso no contribuye al
calentamiento global. De hecho, produce una reducción los niveles
atmosféricos del bióxido de carbono, como actúa como recipiente y el
carbón del suelo puede aumentar.
Los combustibles de biomasa tienen un contenido insignificante de azufre y
por lo tanto no contribuyen a las emisiones de dióxido de azufre que causan
la lluvia ácida. La combustión de la biomasa produce generalmente menos
ceniza que la combustión del carbón, y la ceniza producida se puede utilizar
como complemento del suelo en granjas para reciclar compuestos tales
como fósforo y potasio.
La conversión de residuos agrícolas, de la silvicultura, y la basura sólida
municipal para la producción energética es un uso eficaz de los residuos
que a su vez reduce significativamente el problema de la disposición de
basura, particularmente en áreas municipales.
La biomasa es un recurso doméstico, que no está afectado por
fluctuaciones de precio a nivel mundial o a por las incertidumbres
60
producidas por las fuentes de combustibles importados. En países en vías
de desarrollo en particular, el uso de biocombustibles líquidos, tales como
biodiesel y etanol, reduce las presiones económicas causadas por la
importación de productos de petróleo.
Los cultivos para energía perennes (las hierbas y los árboles) tienen
consecuencias para el medio ambiente más bajas que los cultivos agrícolas
convencionales.
4.1.2. Restricciones en el uso de la biomasa
En naturaleza, la biomasa tiene relativamente baja densidad de energía y
su transporte aumenta los costes y reduce la producción energética neta.
La biomasa tiene una densidad a granel baja (grandes volúmenes son
necesarios en comparación con los combustibles fósiles), lo que hace el
transporte y su administración difíciles y costosos.
La clave para superar este inconveniente está en localizar el proceso de
conversión de energía cerca de una fuente concentrada de biomasa, tal
como un aserradero, un molino de azúcar o un molino de pulpa.
La combustión incompleta de la leña produce partículas de materia
orgánica, el monóxido de carbono y otros gases orgánicos. Si se utiliza la
combustión de alta temperatura, se producen los óxidos del nitrógeno.
En una escala doméstica más pequeña, el impacto en la salud de la
contaminación atmosférica dentro de edificios es un problema significativo
en los países en vías de desarrollo, en donde la leña se quema
ineficazmente en fuegos abiertos para cocinar y la calefacción de
ambientes.
Existe la posibilidad que el uso extensivo de bosques naturales cause la
tala de árboles y escasez localizada de leña, con ramificaciones ecológicas
y sociales serias. Esto está ocurriendo actualmente en Nepal, partes de la
India, Sudamérica y en África sub Sahara. La conversión de bosques en
tierras agrícolas y áreas urbanas es una importante causa de la tala de
árboles. Además, en muchos países asiáticos gran parte del combustible de
61
la madera usado con propósitos de energía provienen de áreas indígenas
boscosas.
Hay un conflicto potencial por el uso de los recursos de la tierra y del agua
para la producción de energía de biomasa y otras aplicaciones, tales como
producción de alimentos y de fibras. Sin embargo, el uso de técnicas
modernas de producción agrícola representa que hay suficiente tierra
disponible para todas las aplicaciones, incluso en regiones densamente
pobladas como Europa.
Algunos usos de la biomasa no son completamente competitivos en esta
etapa. En la producción de electricidad por ejemplo, hay fuerte competencia
de las nuevas plantas de gas natural, altamente eficientes. Sin embargo, la
economía de la producción energética de biomasa está mejorando, y la
preocupación cada vez mayor por las emisiones de gas de invernadero está
haciendo a la energía de biomasa más atractiva.
La producción y el proceso de la biomasa pueden implicar un consumo de
energía significativa, tales como combustible para los vehículos y los
fertilizantes agrícolas, dando por resultado un balance energético reducido
para el uso de la biomasa. En el proceso de la biomasa se necesitan
reducir al mínimo el consumo de combustibles fósiles, y maximizan la
conversión de basura y recuperación de energía.
A menudo existen restricciones políticas e institucionales al uso de
biomasa, tales como políticas energéticas, impuestos y subsidios que
animan el uso de combustibles fósiles. Los costos de la energía no reflejan
a menudo las ventajas ambientales de la biomasa o de otros recursos
energéticos renovables.
4.1.3 Biocombustibles La producción de biocombustibles tales como el etanol y el biodiesel tiene el
potencial de sustituir cantidades significativas de combustibles fósiles en varias
aplicaciones de transporte. El uso extenso del etanol en Brasil ha demostrado que
los biocombustibles son técnicamente factibles en gran escala, figura 22.
62
El ex presidente de Brasil inaugura planta de Biodiesel más grande del mundo a partir de Cebo animal
Figura 22. Fuente: http://biodiesel.com.ar. 2007
La producción de biocombustibles en los EE.UU. y Europa (etanol y biodiesel )
está aumentando, siendo la mayoría de los productos utilizados en combustible
mezcla, por ejemplo E20 está compuesto por 20% de etanol y 80% de gasolina y
se ha descubierto que es eficaz en la mayoría de los motores de ignición sin
ninguna modificación.
Actualmente la producción de biocombustibles es apoyada con incentivos del
gobierno, pero en el futuro, con el crecimiento de los sembrados dedicados a la
bioenergía, y las economías agrícolas a gran escala, las reducciones de costos
pueden hacer competitivos a los biocombustibles. Como los monocultivos de
girasol, ver figura 23.
63
Campo de Girasoles en España, una fábrica verde de aceites utilizados como biocombustibles
Figura 23 Fuente: http://www.biodieselspain.com/2007
Producción eléctrica La electricidad puede ser generada a partir de un número de fuentes de biomasa y
al ser una forma de energía renovable se la puede clasificar como "energía verde".
La producción de electricidad a partir de fuentes renovables de biomasa no
contribuye al efecto invernadero ya que el dióxido de carbono liberado por la
biomasa cuando es quemado, (directa o indirectamente después de que se
produzca un biocombustible) es igual al dióxido de carbono absorbido por el
material de la biomasa durante su crecimiento.
Calor y Vapor
La combustión de la biomasa o de biogás puede utilizarse para generar calor y
vapor. El calor puede ser el producto principal, en usos tales como calefacción de
hogares y cocinar, o puede ser un subproducto de la producción eléctrica en
centrales combinadas de calor y energía. El vapor generado por la biomasa puede
utilizarse para accionar turbinas de vapor para la producción eléctrica, utilizarse
64
como calor de proceso en una fábrica o planta de procesamiento, o utilizarse para
mantener un flujo de agua caliente.
Gas Combustible
Los biogases producidos de la digestión o de la pirolisis anaerobia tienen un
número de aplicaciones. Pueden ser utilizados en motores de combustión interna
para accionar turbinas para la producción eléctrica, puede utilizarse para producir
calor para necesidades comerciales y domésticas, y en vehículos especialmente
modificados como un combustible.
Durante procesos de conversión tales como la combustión, la biomasa libera su
energía, a menudo en la forma de calor, y el carbón se oxida nuevamente a
dióxido de carbono para restituir el que fue absorbido durante el crecimiento de la
planta. Esencialmente, el uso de la biomasa para la energía es la inversa de la
fotosíntesis.
4.2 Desarrollo de la conversión termoquímica de la biomasa En general los procesos termoquímicos se caracterizan porque no requieren de la
acción de microorganismos para transformar las materias primas, habitualmente
trabajan a mayores temperaturas y con la acción de catalizadores para potenciar
las reacciones químicas.
Los procesos termoquímicos aportan la ventaja de poder emplear un amplio rango
de materias primas, de hecho, cualquier material con contenido en carbono puede
ser transformado mediante procesos termoquímicos, asimismo, los procesos
pueden producir un amplio rango de productos más allá del etanol.
La ruta termoquímica se divide habitualmente en dos fases fundamentales, una
primera etapa de transformación de la biomasa en un producto intermedio, gas de
síntesis, y una segunda etapa de transformación del producto intermedio gas de
síntesis, en los productos deseados.
65
La transformación inicial de biomasa en gas de síntesis se denomina gasificación.
Es un proceso que transcurre a muy alta temperatura, entre 800 y 1400 ºC
típicamente, en el que la biomasa se transforma en una mezcla de gases,
fundamentalmente hidrógeno y monóxido de carbono.
Es bajo esta perspectiva que el aprovechamiento de materiales, que de otro modo
son considerados como impactantes de la calidad ambiental, al emplearse para
producir energía resulta en una alternativa de vastos alcances y de un singular
interés. Específicamente para el caso de los recursos sólidos de origen mundial,
ya que reúnen importantes características que les confieren un potencial de uso
energético muy significativo, a la par de que su eliminación como agentes
contaminantes reporta un gran beneficio de índole ambiental.
4.2.1 Rellenos sanitarios El concepto de relleno sanitario ha pasado por un proceso de evolución. Desde el
planteamiento simplista de un depósito de basura cubierto por tierra hasta una
obra de ingeniería que involucra todas las medidas necesarias para prevenir el
deterioro del ambiente y las molestias hacia el entorno social circundante, y que
incluye en su diseño múltiples obras de control.
Su finalidad última es dar cabida en el espacio mínimo posible y a un costo
razonable a los desechos de una comunidad e impedir que sustancias nocivas
migren del confinamiento hacia el subsuelo, al agua subterránea o superficial, y a
la atmósfera.
El relleno sanitario continúa siendo la forma preferente para disponer los residuos
sólidos a nivel mundial. Una comparación entre los países líderes en la
incineración y reciclaje de los desechos (Tabla 1) permite apreciar claramente que
la participación de los rellenos sanitarios en la solución de la disposición final de
residuos sólidos es aún preponderante, además de ser un elemento
imprescindible en todo esquema de manejo de desechos. El relleno sanitario
además reúne otras características a considerar.
66
Dado que es el sistema preponderante de disposición de residuos sólidos a nivel
mundial, se le puede considerar como un reservorio energético bajo cierta óptica.
Por supuesto, debe entenderse que en muchos países en vías de desarrollo aún
no se cuenta con una difundida y adecuada práctica del relleno sanitario. Sin
embargo ello no elimina la posibilidad del aprovechamiento energético. Este se
fundamenta en la transformación de la fracción orgánica de los residuos sólidos
municipales en componentes más elementales por efecto de los mecanismos de
descomposición aerobio y anaerobio.
Generación de biogás. Se conoce como biogás a la mezcla de gases que se produce por la
descomposición de la fracción orgánica de los residuos por efecto de ambos
procesos. De estos, el anaerobio es el de más importancia, ya que el aerobio
requiere del consumo de oxígeno por parte de las bacterias degradantes, y el
suministro de este elemento está limitado a la porción de aire atrapado en los
intersticios de los desechos, por lo que la duración de la fase aerobia y su
generación típica de agua y bióxido de carbono son más bien breves.
En cambio, una vez consumido el oxígeno disponible, las
bacterias anaerobias pueden activar su metabolismo y permanecer activas
mientras exista un sustrato del cual puedan extraer la energía necesaria para sus
procesos vitales. Las sustancias que libera este proceso son básicamente metano
y dióxido de carbono, y se estima que cerca de un 93 por ciento de los residuos
que se estabilizan lo hacen por esta vía.
La Figura 24 resume las reacciones que involucran cada uno de los citados
mecanismos de transformación.
Reacciones involucradas en los procesos aerobio y anaerobio
67
Fase Fase
Fase aerobia
Sustrato C H O N S
Producto CO2 H2O NH3 SO4
Fase anaerobia
Sustrato C H O N S
Producto CH4 CO2 NH3 H2S
Figura 24 Fuente: Artículo de divulgación IPN, 2000
Comparación de la penetración de la incineración y reciclaje con el relleno sanitario en diferentes países.
País
Relleno sanitario
por ciento
Opciones de aprovechamiento
por ciento
Incineración Composteo Reciclaje
Estados Unidos
73 14 1 12
Japón 27 25 2 46
Alemania 52 30 3 15
68
Francia 48 40 10 3
Suecia 40 52 5 4
Tabla 7 Fuente: Artículo de divulgación IPN, 2000
Se ha intentado en diversas ocasiones estimar mediante experimentos de
laboratorio el potencial de producción de biogás de los residuos sólidos, sin
embargo los resultados obtenidos no tienen una clara correlación con las
mediciones efectuadas a escala natural en los rellenos sanitarios.
Las tasas de producción y duración de la misma para cada componente del biogás
varían con el tiempo y las condiciones particulares de cada sitio, sin embargo en la
Figura 25 se muestra un modelo típico de las tendencias y comportamiento de la
composición del biogás a lo largo de un período de tiempo no definido.
Modelo típico de generación de gas en rellenos sanitarios
69
Figura.25. Fuente: Farquar y Rover, 1973. Modificación por Rees, 1980, y Augenstein / Pacey, 1991.
Fase I: de horas a una semana Fase II: de uno a seis meses Fase III: de tres meses a tres años Fase IV: de ocho a 40 años Fase V: de uno o más de 40 años.
Sin embargo se han identificado algunas importantes variables de las condiciones
de generación que influye de forma significativa y predecible para la formación del
biogás. Entre ellas se tienen las siguientes:
Composición Es fundamental conocer la composición que guarda el conjunto de residuos
dispuestos en un relleno sanitario. Esto se puede lograr mediante muestreos de
generación o muestreos in-situ, siendo los últimos los más adecuados pues
reflejan la ausencia de aquellos materiales que han sido retirados durante el
manejo de los desechos. La Tabla 8 se muestra un desglose de porcentajes en
peso de los distintos subproductos dispuestos en la Cd. de México.
Los residuos orgánicos de alimentos constituyen la fracción que se degrada con
mayor facilidad y rapidez. En orden descendiente les siguen el papel, hojas y
70
pasto, madera y hule. La mayor proporción de estos materiales en la composición
de los residuos estará directamente relacionada con la velocidad de generación
del biogás.
Desglose de los distintos subproductos dispuestos en la Ciudad de México
Subproducto Promedio %
1 Abatelenguas n.r.
2 Algodón 0.19
3 Cartón 4.46
4 Cuero 0.22
5 Envases de cartón 2.21
6 Fibra dura vegetal 0.16
7 Fibra sintética 1.86
8 Gasa n.r.
9 Hueso 0.11
10 Hule 0.15
11 Jeringa desechable n.r.
12 Lata 1.74
13 Loza y cerámica 0.46
14 Madera 0.38
15 Material de construcción 0.32
16 Material ferroso 1.45
17 Material no ferroso 0.16
18 Neopreno (llantas) n.r.
19 Pañal desechable 4.58
71
20 Papel 10.24
21 Placas radiológicas n.r.
22 Plástico de película 4.74
23 Plástico rígido 3.14
24 Poliestireno expandido 0.72
25 Poliuretano 0.20
26 Residuo alimenticio 45.37
27 Residuo de jardinería 4.86
28 Residuo fino 0.96
29 Toallas sanitarias n.r.
30 Trapo 0.87
31 Vendas n.r.
32 Vidrio de color 1.15
33 Vidrio transparente 3.00
34 Otros 5.29
T o t a l 100
Tabla 8 Fuente: Artículo de divulgación IPN, 2000
n.r. = no representativo
Así se tiene que en un relleno con predominancia de estos subproductos (por
ejemplo, aquellos en los que se han dispuesto residuos de mercados) se podrá
esperar la máxima generación de biogás dentro de los primeros seis años. Si
predominan el cartón, madera, trapo y plástico el período puede extenderse de 15
a 30 años.
72
Humedad El contenido de humedad de los desechos es un factor crítico para la formación de
biogás. Se ha estimado que elevar la humedad de 60 por ciento a un 75 por ciento
puede redundar en un incremento en la velocidad de generación de metano de
hasta diez a 20 veces. Esto resulta por demás interesante, pues en un relleno
sanitario una de las principales preocupaciones radica en el manejo y control de
los líquidos que se percolan a través de los estratos de desperdicios, conocidos
como lixiviados.
Una opción para reducir la cantidad de lixiviados es captarlos en la base del
relleno y recircularlos desde varios puntos en la superficie. Esta medida tiene
además, por lo antes dicho, la ventaja de poder ejercer un control en la humedad
de los residuos y por consiguiente en la velocidad de su degradación.
Aún no existe un claro consenso sobre el contenido óptimo de humedad, pero la
experiencia en los Estados Unidos parece indicar que entre mayor sea, es mejor.
Sin embargo, se ha demostrado que si el contenido de humedad se mantiene
constante, las tasas de producción de metano se pueden incrementar de 25 a 50
por ciento.
Temperatura Es un principio básico de las reacciones químicas que la velocidad de reacción se
incrementa con el suministro de energía calorífica. Las bacterias mesofílicas
tienen un valor óptimo para producir metano cercano a los 45 °C y de 55 °C para
las termofílicas. Se ha observado que la tasa de producción de biogás aumenta
relacionándose con incrementos de temperatura del orden de 30 a 35 °C. De esta
forma se puede pensar en realizar un calentamiento del lixiviado antes de su
recirculación aprovechando para ello la energía propia del metano.
Aunque por otro lado, y dependiendo en gran medida del clima de la región en que
se encuentre el relleno y del espesor de los residuos depositados, la
descomposición anaerobia implica una liberación de calor, que en algunos lugares
73
puede rebasar los 60 °C e incluso ser un factor de riesgo ante posibles incendios
bajo la superficie del relleno.
Compactación En un relleno sanitario se debe proporcionar a los residuos una compactación lo
máximo económicamente rentable posible a fin de disminuir el espacio ocupado.
Adicionalmente, la compactación disminuye la porosidad del sustrato y propicia el
contacto entre éste y los microorganismos.
Al disminuir los espacios con aire entre los desechos, disminuye la dotación de
oxígeno y por lo tanto la duración de la fase aerobia, acelerando la fase de
metanogénesis. La compactación estará siempre asociada con la composición y
humedad de los residuos. Los valores de peso volumétrico que se pueden tener
en distintos rellenos sanitarios van de unos 600 a más de 1 000 Kg./m3.
Trituración La trituración de residuos reduce el tamaño de las partículas presentes y con ello
se aumenta el área de contacto entre estas y los microorganismos, favoreciendo
una más rápida degradación. Esa operación no ha sido puesta en práctica en
México.
Sin embargo, ante un esquema integral de manejo de los residuos sólidos que
involucre la selección industrializada de subproductos se puede pensar que sólo
llegará al relleno sanitario la fracción eminentemente orgánica, la cual es
susceptible de triturarse, ayudando con ello a disminuir los tiempos de
estabilización. Esto estará especialmente vigente mientras no exista un importante
sistema de compostaje operando a gran escala.
pH. Las condiciones de neutralidad favorecen en general el desarrollo eficiente de
los microorganismos metanogénicos.
74
La acidez y la alcalinidad pueden afectar su metabolismo. Un punto de desarrollo
óptimo se tiene a un pH de 6.8, aunque toleran valores de 6.2 a 7.6 en digestores
anaerobios y de 5.5 a 9.0 en suelos. En todo relleno sanitario se tiene una fase de
fermentación ácida que puede bajar el valor del pH, pero el bióxido de carbono
que también se produce en la fase anaerobia amortigua el efecto y puede
mantener el pH en un valor cercano al neutro.
Nutrientes. La degradación anaeróbica requiere de nutrientes como el nitrógeno,
fósforo, magnesio, sodio, calcio y cobalto para sustentar los microorganismos. Es conveniente contar con una relación carbono/nitrógeno cercana a 30 y debe
tenerse en cuenta que la presencia de metales pesados, amonio y ácidos volátiles
puede conferirle características tóxicas al medio y por tanto inhibir la cinética del
desarrollo bacteriano y la producción de biogás.
Balance estequiométrico. Existen varios métodos a los que se puede recurrir
para estimar el potencial de generación de biogás que tienen los residuos sólidos.
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) emplea el
método cinético teórico, identificando dos modelos: uno de aproximaciones
globales sobre estimaciones teóricas del potencial de generación de metano y otro
que requiere datos tomados de la lectura de flujos en pozos de captación de
biogás en rellenos sanitarios. Esta misma agencia considera que con fines
prácticos, en los países en vía de desarrollo cada tonelada de residuos es capaz
de producir 60 m3 de metano.
Sin embargo, a fin de ilustrar con sencillez los fundamentos de este potencial de
generación, se presenta enseguida un ejemplo de balance estequiométrico que
describe las transformaciones de la materia relacionada con la fase anaerobia de
estabilización.
Datos:
75
a) Supóngase (Tabla 9) la composición en peso por subproductos de los
desechos que han sido depositados en un relleno sanitario:
Composición en peso por subproductos
Subproducto Peso por ciento
Degradabilidad por ciento
Residuos alimenticios 37.32 100 Residuos de jardinería 3.27 75 Fracción Papel 14.22 100 Orgánica Cartón 1.44 100 Vidrio 8.90 Residuo fino (tierra) 6.65 Plásticos 12.60 Metales 9.50 Otros 6.25 Tabla 9 Fuente: López Sánchez, IPN, 2000 b) El contenido de humedad de los residuos es de 30 por ciento, y se encuentra
asociado en su totalidad a la fracción orgánica; y,
c) El peso volumétrico de los residuos dispuestos es de 1,000 kg/m3.
Composición química básica Los componentes básicos de la materia orgánica son el Carbono, Hidrógeno,
Oxígeno y Nitrógeno. Su proporción en la materia se puede determinar en
laboratorio o por métodos indirectos.
Estos últimos se suelen emplear cuando no se cuenta con los medios para
practicar análisis de laboratorio, y se encuentran descritos en las Normas Oficiales
Mexicanas, mostradas en la Tabla 10.
Normas Oficiales Mexicanas y formulas para la determinación de la proporción de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno.
76
Elemento Norma Formula
C NOM-AA-67-1985 %C = (%M.O.) x
0.58
H NOM-AA-21-1985 %H = (%M.O.) ÷ 15
O NOM-AA-80-1986 Método
Experimental*
N NOM-AA-24-1984
Tabla 10 Fuente: López Sánchez IPN, 2000
M.O = Materia Orgánica
* Este método es complejo y riesgoso, por lo que se suele calcular el porcentaje
de oxígeno por simple diferencia, mediante la expresión: %O = % M.O. – (%C + %H + %N)
De cualquier forma, si se puede contar con datos analíticos se podrá otorgar
mayor confiabilidad a los resultados, especialmente si se procede con un
muestreo de los residuos sólidos que siga los procedimientos descritos en las
Normas Oficiales Mexicanas NOM-AA-15-1985 para método de cuarteo, NOM-M-
22-1985 para determinación de la composición física y NOM-AA-19-1985 para
peso volumétrico. Para este ejemplo se tomará la siguiente composición básica en
peso. C = 43.02 %; H = 5.96 %; O = 49.08 %; N = 1.94 %
Cantidad de materia orgánica en base seca. Cada metro cúbico de residuos pesa 1000 kg, y por las composiciones en peso se
tiene que la materia orgánica pesa:
Residuos alimenticios 373.20 kg
77
Residuos de jardinería 32.70 kg
Papel 142.20 kg
Cartón 14.40 kg
Σ = 562.50 kg de M.O.
Ya que la humedad es de 30 por ciento en toda la muestra; esto significa que hay
300 kg de agua, y que están asociados exclusivamente a la materia orgánica.
El peso de la materia orgánica en base seca es: 562.50 kg – 300 kg = 262.50 kg M.O.BS
Determinación de la materia orgánica degradable La degradación de la materia orgánica se hace efectiva en aquella porción que se
transforma en materia volátil, lo cual es del orden de un 95 por ciento; de esta
forma y tomando en cuenta las degradabilidades de cada subproducto, tenemos
que:
iiBS
DEG dSOM
OMVOM ⋅×= ∑......
Donde:
Si = Peso de cada subproducto orgánico;
di = Degradabilidad del subproducto orgánico; y,
v = Fracción volátil
Fórmula teórica de la materia orgánica Se tomarán los pesos de cada elemento de la composición química básica
proporcionales a 100 gramos de basura para dividirse entre su peso atómico
correspondiente, esto es:
Elemento Peso
(gr)
Peso atómico (gr/mol)
Índice (mol)
78
C 43.02 12.011 3.582
H 5.96 1.008 5.913
O 49.08 15.999 3.068
N 1.94 14.007 0.139
Con estos índices la fórmula teórica queda como:
C3.582 H5.913 O3.068 N0.139
Tomando al Carbono como base, se dividen todos los índices entre el del carbono,
así se tiene que la fórmula mínima queda como:
Metano y bióxido de carbono producidos
Con los datos anteriores se procede a sustituir los datos en la ecuación química
estequiométrica que gobierna la descomposición anaerobia de la materia
orgánica, que es:
( )
( ) ( )2
2 4 3
1 4 2 341 14 2 3 4 2 38 8
a b c dC H O N a b c d H O
a b c d CO a b c d CH dNH
+ − − + →
− + + + + − − +
Teniéndose entonces:
342
2039.0857.0651.1
039.0478.0523.0188.0
NHCHCOOHNOCH
++
→+
C(1)H1.651O0.857N0.039
a=1 b=1.651 c=0.857 d=0.039
79
( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )( )262.5. . 0.95 373.20 1.0 32.70 0.75 142.20 1.0 14.40 1.0562.5DEG
kgM O kg kg kg kgkg
= + + +
kgOM DEG 66.245.. =
Estimación del peso de los gases producidos
Compuesto Elemento Peso atómico Índice Producto Suma
CH1.651O0.857N0.039 C 12.011 1.000 12.011 27.932 H 1.008 1.651 1.664
O 15.999 0.857 13.711 N 14.007 0.039 0.546
CO2 C 12.011 0.523 6.282 23.017 O 2(15.999) 0.523 16.735
CH4 C 12.011 0.478 5.741 7.668 H 4(1.008) 0.478 1.927 Tabla 11 Fuente: López Sánchez, IPN 2000
Estimación del peso de los gases producidos Se procede a multiplicar el peso atómico de cada elemento de la fórmula mínima y
de los productos de interés por sus respectivos índices, la Tabla 5 muestra esta
información. El peso de cada uno de los dos componentes más importantes del
biogás producido por cada metro cúbico de residuos de que se dispone en el
relleno se puede calcular de la siguiente forma:
( ).. / 442.67
.. 66.245932.27
668.7
34
34
SRmCHkg
residuosdemporOMdekgCH DEG ==
( ).. / 202.433
.. 66.245932.27017.23
32
32
SRmCOkg
residuosdemporOMdekgCO DEG ==
80
Conversión a volumen Tomando en cuenta que la densidad de los gases es la siguiente, se calcula el
volumen correspondiente a los pesos calculados:
34 1 3
3 31 4
67.442 0.7167 / 0.7167 /
94.101 / .
CH kg m Vkg m
V m CH m R S
λ = =
=
32 1 3
3 31 2
202.433 1.9768 / 1.9768 /
102.404 / .
CO kg m Vkg m
V m CO m R S
λ = =
=
Composición porcentual del Biogás Relacionando la suma en peso y la suma en volumen de ambos gases
respectivamente con el peso y el volumen de cada uno se calculan las
composiciones porcentuales que puede generar un metro cúbico de desechos, los
que se expresan en la Tabla 6.
Comparando los 94 m3 de metano obtenido con los 60 m3 que estima la USEPA
se aprecia una diferencia de un 63 por ciento. Esto, como se dijo anteriormente, es
por efecto de las condiciones particulares de cada sitio y el tipo de infraestructura
con que están dotados, afectando a la eficiencia del proceso. De aquí que la
investigación particularizada en campo cubre una importancia de primer orden.
Ver tabla 12.
81
Composición porcentual del biogás
Sustancia Peso Volumen
CH4 67.442 kg
(25%)
94.101 m3
(48%)
CO2 202.433 kg
(75%)
102.404 m3
(52%)
Biogás 269.875 kg 196.505 m3
Tabla 12 Fuente: López Sánchez, IPN, 2000
Tiempo de generación de biogás De la misma forma que un análisis teórico nos proporciona sólo una aproximación
a la realidad, se sabe que existen importantes variables que intervienen en el
proceso de generación y por las que no se puede asumir un comportamiento
lineal.
El tiempo en que un relleno sanitario iniciará, llegará a su máximo y concluirá la
producción de biogás es un factor de mucho peso, especialmente si se considera
que de ello depende directamente la vida útil del sitio si se le considera como un
reactor de materia orgánica, y en términos económicos impactará en lo tocante a
los tiempos de amortización de la inversión y depreciación de los equipos que se
utilicen para aprovechar la energía del biogás.
Se han manejado diferentes modelos de tasas de producción que se han ido
ajustando conforme la experiencia obtenida enriquece los conocimientos que se
tienen sobre el tema. En esencia hay dos aspectos fundamentales que considerar:
a) Los residuos depositados iniciarán su descomposición anaerobia de
acuerdo a los factores ya descritos en la sección de generación de, biogás,
los cuales dependen en gran parte de la forma en que se opere el relleno
82
sanitario. Sin embargo, es obvio que la edad de los residuos no será
homogénea y por lo tanto los tiempos de Inicio y fin de generación de
biogás serán diferentes en función de esto y de su ubicación espacial
dentro del relleno. Es decir, que mientras los residuos más recientes y
superficiales aún no inician su degradación anaerobia, aquellos depositados
en un inicio y en los puntos más profundos del relleno pueden encontrarse
en un avance de degradación importante.
b) La velocidad de degradación es distinta según el tipo de residuos. En
algunos de los modelos más recientes se suele dividir a los residuos en tres
categorías, tal y como se muestra en la Tabla 13.
Clasificación de la velocidad de degradación prototipo de residuo
Clasificación Subproductos T1/2 T99
Rápidamente degradables Residuos alimenticios 3 Años 6 Años Residuos de jardinería Moderadamente degradables
Cartón 5 años 15 Años
Papel Trapo Algodón Madera Fibra dura vegetal Cuero Lentamente degradables Hueso 20 Años 60 Años Hule Plásticos Fibra sintética Tabla 13 Fuente: López Sánchez, IPN, 2000
Siendo t1/2 el tiempo para el que se genere el 50 por ciento del total del volumen
de metano capaz de producirse y t99 el tiempo para que se llegue al 99 por ciento
de su potencial total de degradación.
83
Estos datos son aproximados y están sujetos a muchas variables ya descritas en
la sección de generación de biogás, pero dan una idea valiosa de lo que puede ser
la vida útil de un relleno sanitario como generador de biogás y de energía.
Con lo expuesto es fácil imaginar que el comportamiento de la generación de
biogás a lo largo del tiempo podría responder a un modelo lineal aproximado como
el que se muestra en la Figura 25.
Modelo esquemático de la generación de producción de metano
.
Pero a la fecha, los modelos más desarrollados delinean comportamientos como
los que se observan en la figura 26.
De todo esto es importante recordar que el control sobre la humedad de los
residuos (indispensable para la degradación anaerobia como se mostró en el
balance estequiométrico) es el factor de mayor influencia para acelerar el proceso,
aunque el efecto de la temperatura aún no ha sido estudiado muy a fondo.
Efecto de la variación del tiempo de generación en la generación de gas
Incremento de generación Tasa constante de generación
Declinación de la generación
Tasa
de
gene
raci
ón d
e m
etan
o
Depositación de basura
Figura. 25 Fuente: Ing. López Sánchez, IPN, 2000
84
Figura 26 Fuente: Ing. Felipe López Sánchez, IPN, 2000
Aprovechamiento energético del biogás El biogás que se produce en un relleno sanitario representa un riesgo ambiental y
de seguridad para el entorno si no es adecuadamente controlado. Por un lado, su
contenido de bióxido de Carbono se une al de múltiples fuentes emisoras y
contribuye a intensificar el efecto de invernadero que tiende a incrementar la
temperatura de la atmósfera.
Y además de esto su olor es muy desagradable, creando una molestia para las
personas que mantengan alguna cercanía con el sitio.
Por otra parte, en concentraciones del siete por ciento al 21 por ciento mezclado
con el aire (cinco a 15 por ciento de metano), se crea un ambiente de flamabilidad.
Si el biogás migra desde el relleno hacia construcciones aledañas o zonas
habitadas, ya sea por la porosidad del suelo, por fracturas o sirviéndose de obras
civiles como el alcantarillado municipal, se estará enfrentando un serio riesgo de
perturbación ambiental y de protesta pública.
Con esto se deja en claro que al aprovechar el biogás para generar energía se
está cumpliendo con los criterios de optimización de recursos expresados en la
introducción, a la vez de estar eliminando un riesgo y daño al ambiente.
Expresado en términos más prácticos, se cambia la perspectiva económica de
85
gastos por control y remediación en inversión sanitaria con regalías por venta o
autoconsumo de energía.
Poder calorífico
La solución aplicada en muchos casos para controlar el biogás es sencillamente
construir pozos o galerías de captación y ventearlo o preferentemente llevarlo a un
quemador instalado directamente sobre el pozo, dotado de un arrestador de flama
para impedir que la combustión se desplace al interior del relleno.
El metano que compone al biogás tiene un poder calorífico bajo si se le compara
con otros combustibles. Una comparación con otros materiales puede resultar muy
ilustrativa del valor energético del biogás (Tabla 14).
Comparación de poderes caloríficos.
Carbón 11 500 – 14 000 Btu/lb
Madera 8 000 – 8 613 Btu/lb
Metano 20 417 – 23 861 Btu/lb
(913 – 1 067) Btu/pie3
Tabla 14 Fuente: Ing. Felipe López, IPN, 2000
Potencial de aprovechamiento: Caso práctico
Mediante el siguiente ejemplo se puede ilustrar la cantidad de energía que
teóricamente puede generarse en un sitio de disposición final con una recepción
diaria de 470 ton de residuos sólidos, semejante a los que dan servicio a varias
localidades de importancia del país.
Volumen de metano:
añoCHm
añodías
tonCHm
díaton 4
34
3642 096 1636594470 =××
86
Poder calorífico = 900 Btu/ft3
1m3= 35.31 ft3
900 Btu/ft3 x 35.31 ft3/m3 = 31 779 Btu/m3
1 Btu = 0.255 kcal
31 779 Btu/m3 x 0.255 kcal/Btu= 8 103 kca/m3
8 103 kcal/m3 x 16 096 642 m3 CH4/año = 130 441 472 460 kcal/año 130 441 472 460 kcal/año x 1 año/365 días = 357 373 897 kcal/día
357 373 897 kcal x día / 24 hr = 14 890 579 kcal/hr.
14 890 579 kcal / hr x 1 hr / 3 600 seg = 4 136 kcal/seg
1 cal = 4.1868 joul 1 kcal = 4 186.8 joul
4 136 kcal / seg x 4 186.8 joul/ kcal = 17 317 743 joules
1 joul = 1 watt
17 317 743 joules = 17 317 743 watt = 17 317.7 kw
a) Captación mediante pozos Generalmente el biogás se capta gracias a pozos construidos desde la superficie
del relleno y cuya profundidad suele ser de 0.75 veces el espesor del estrato de
desechos en ese punto.
El pozo debe estar fabricado con tubería plástica ranurada en sentido longitudinal
y sellado en la superficie para evitar que al succionarse el biogás se arrastre aire
de la "superficie, el cual puede inhibir la metanogénesis o bien alterar las
propiedades del biogás con riesgo de aumentar el riesgo de explosividad.
Adicionalmente se les debe diseñar para absorber sin daños los asentamientos del
relleno.
Los pozos se distribuyen sobre el relleno considerando radios de influencia de 20
a 30 metros generalmente, pudiendo formar retículas o arreglos en batería. Cada
pozo cuenta con una válvula de seccionamiento para regular la succión, lo cual se
hace en función de la presión positiva que se detecte entre cada pozo mediante
pruebas de campo.
87
b) Conducción El conjunto de pozos se interconecta formando redes en forma de peine o
derivaciones, se utiliza tubería de polietileno de alta densidad pues es capaz de
tolerar bastante bien los esfuerzos y deformaciones infringidos por los
asentamientos diferenciales. Los diámetros se calculan para el gasto acumulado
de biogás a lo largo del tramo, siendo así menores en los tramos cabeza y
mayores al final de cada línea.
La red de conducción debe estar provista de trampas de agua en los puntos más
bajos, y especialmente en las deflexiones verticales, ya que con el biogás se libera
también una cierta cantidad de vapor de agua, que al condensarse en el interior de
las tuberías se acumula en los puntos bajos y deflexiones verticales, pudiendo
crear un tapón de agua.
Las trampas de agua drenan los condensados hacia el interior del relleno, y sin
dejar que el aire se introduzca a las líneas de conducción.
c) Succión Al final de las líneas de conducción se construye un cuarto de máquinas donde se
instalan los sopladores que inducen la presión negativa en las líneas de
conducción. Su dimensionamiento y potencia depende de la estimación del gasto
de biogás a manejar y se suele proyectar uno extra para uso alterno en caso de
falla de alguno en servicio.
d) Condensación Con el fin de evitar que el vapor de agua y algunos gases mezclados con el biogás
tengan efectos corrosivos sobre los equipos de succión, antes de llegar a éstos se
debe instalar un condensador de vapores. Estos dispositivos pueden funcionar por
impacto o por cambio de presión, o ambos. El flujo de biogás se lleva a una
pequeña cámara donde existen superficies deflectoras contra las que choca el
gas, y donde se forma el condensado. Si adicionalmente se disminuye la presión
en forma brusca mediante un cambio de sección, el procedimiento se hace más
eficiente. La humedad condensada llega al 70 u 80 por ciento del total.
88
e) Lavado Dado que el dióxido de carbono carece de poder calorífico, su presencia
empobrece el potencial energético del biogás. Se le puede reducir al hacer pasar
el flujo gaseoso por un volumen de agua.
Se necesitan unos 460 litros de agua para remover un metro cúbico de bióxido de
carbono, que se solubiliza parcialmente en ella a una presión y temperatura
normales (1 ATM y 20 °C).
La presencia de ácido sulfhídrico (H2S) se puede reducir económicamente
haciendo pasar al biogás por una trampa con limadura de hierro que retiene las
trazas de este gas. La limadura se regenera por simple exposición periódica al aire
durante tres o cuatro días.
También se puede proceder a un aspersado con una solución de trietile-glicol
como solvente. Esta solución se calienta para deshumificarla y recircularla en un
circuito cerrado. Con ello se puede eliminar casi la totalidad del 30 por ciento
remanente de humedad y casi toda partícula dañina para el sistema.
f) Compresión En algunos casos es necesario comprimir el gas tratado a fin de poderlo utilizar en
puntos de consumo alejado o móviles que demandan el almacenamiento
independiente. Esto ocurre si se desea, por ejemplo, alimentar motores ubicados a
distancias muy grandes del punto de generación o cuando el tendido de una línea
de conducción resulta en una inversión muy onerosa. También es el caso del
empleo de gas para vehículos.
Este proceso suele ser muy costoso y, en algunos casos, llega hasta a hacer
prohibitiva la implementación de todo el sistema.
g) Motogeneradores El punto final del proceso radica aquí. Existen muchas alternativas disponibles en
los mercados mundiales para adquirir motores que combustionando el metano
89
generen electricidad. Algunas instalaciones son capaces de producir hasta tres
mega watts cada año.
La comercialización de la energía producida es la clave del éxito de un sistema de
aprovechamiento. En México, legalmente sólo la Comisión Federal de Electricidad
está facultada para la venta de energía eléctrica, pero es posible hacer que esta
institución sea quien compre la energía producida, o bien utilizarla en el consumo
interno de un sitio en aspectos como el alumbrado y algunos procesos y tareas
que requiere el mantenimiento del relleno clausurado.
h) Quemadores Debe proveerse al sitio .con una instalación de quemadores alternos que operen
en cuanto se llegase a presentar alguna falla en el sistema de extracción de
biogás. El gas emanaría a baja presión en forma pasiva del relleno, y para evitar
los riesgos y molestias que implica su migración subterránea o su venteo libre
debe incinerársele.
El quemador debe diseñarse para trabajar con una temperatura adecuada para
poder destruir algunos compuestos dañinos del biogás y cumplir con las normas
de emisiones atmosféricas para fuentes fijas aplicables al caso.
Comentario final El uso del biogás como energético comercial está aún en una etapa de desarrollo.
No sólo en los rellenos sanitarios se le puede obtener. En reactores anaerobios
que tratan los Iodos de plantas de aguas negras o excretas de ganado se tienen
importantes experiencias. Pero como se sostuvo en un inicio, los residuos sólidos
conforman un reservorio aún mayor para producir energía que aún espera su
óptimo aprovechamiento. Las experiencias sobre este tema se han obtenido
principalmente en países como los Estados Unidos, Alemania, Gran Bretaña,
Brasil, Chile, España e Israel entre otros.
México afronta una problemática ambiental muy amplia, y los residuos sólidos y su
control no son la menor de las preocupaciones al respecto.
90
En la mayor parte de las localidades, sobre todo rurales, aún no se lleva a cabo
una correcta práctica del relleno sanitario, pero de demostrarse la utilidad o
rentabilidad del aprovechamiento de un relleno sanitario como fuente energética,
se perfila la necesidad y conveniencia de planear y diseñar los futuros rellenos
(especialmente los de centros urbanos importantes) pensando en su utilidad más
allá de un confinamiento de los materiales que carecen de uso o valor comercial.
El correcto y completo diseño de un relleno sanitario ha superado diversas etapas
de tecnificación, y actualmente se le concibe como una obra de ingeniería que a
resumidas cuentas resuelve la necesidad de confinamiento de desechos con pleno
control y seguridad ambiental. Quizá el siguiente paso sea incorporar a todo esto
los criterios de diseño y operación que permitan su explotación energética post
clausura.
La experiencia en México tiene un carácter modesto y experimental. El principal
parámetro que resta evaluar es la factibilidad económica de proyectos de este
género y la instrumentación institucional que haría al país beneficiarse de aquello
que hasta ahora representa una problemática a nivel nacional.
4.3. Reacciones de pirolisis La pirolisis se define como un proceso fisicoquímico mediante el cual el material
orgánico de los residuos sólidos se descompone por la acción del calor, en una
atmósfera deficiente de oxígeno y se transforma en una mezcla líquida de
hidrocarburos, gases combustibles, residuos secos de carbón y agua.
Es una de las tecnologías alternativas para el manejo de los residuos sólidos
urbanos y que ofrece prometedoras ventajas aunque aún se encuentra en proceso
de desarrollo tecnológico. Este es un proceso fisicoquímico complejo que desde
hace algunos años se ha investigado en los países desarrollados, particularmente
en los Estados Unidos de América como una alternativa para reciclar
indirectamente los residuos sólidos urbanos.
91
La pirolisis tiene como objetivo la disposición sanitaria y ecológica de los residuos
sólidos urbanos, disminuyendo su volumen al ser transformados en materiales
sólidos, líquidos y gaseosos con potencial de uso como energético o materias
primas para diversos procesos industriales.
Este método se diferencia de la incineración porque el proceso de descomposición
térmica de la materia orgánica se desarrolla en un ambiente con deficiencia o
ausencia de aire, mientras que la incineración requiere del oxígeno del aire para
provocar la combustión de los componentes; consecuentemente la materia
orgánica de poco valor se transforma en productos de alto contenido energético
como el carbón, alquitrán, los gases de hidrógeno, nitrógeno, metano, etano,
propano, butano, pentano, amoníaco, oxígeno, monóxido y bióxido de carbono
que pueden ser utilizados como combustibles, además de aceites ligeros (mezclas
de benceno, tolueno, xileno y otros), sales y metales reducidas que se pueden
usar como materia prima en otros procesos.
La proporción de la mezcla resultante de la pirolisis de los residuos sólidos, así
como su potencial energético depende de las condiciones del proceso como es la
temperatura de operación, la velocidad del calentamiento y la composición de los
desechos de alimentación como se puede observar en la siguiente tabla 15
Tecnologías y eficiencias caloríficas de la pirólisis Tecnología Tiempo de
residencia
Temperatura
máxima
Producto
principal
Poder calorífico
Carbonización Horas – días 300-500 Carbón vegetal 30 MJ/kg
Lenta 5-30 min 400-600 Bio-óleo
Carbón
Gas
20 MJ/kg
30 MJ/kg
5-10 MJ/Nm3
Rápida ≤ 1s 450-600 Carbón
Gas
30 MJ/kg
10-20 MJ/Nm3
Rápida ≤ 1s 700-900 Carbón
Gas
30 MJ/kg
15-20 MJ/Nm3
Tabla 15 Fuente: http://www.cengicana.org
92
4.4 Algunos equipos de pirolisis/ combustión de biomasas
Como ya se comento las tecnologías y equipos a utilizar en la pirolisis dependen
directamente de los productos que se quieran obtener, en general se recomiendan
aquellos que ofrezcan mayor cantidad de subproductos con el propósito de
aprovechar al máximo los recursos disponibles.
Podemos mencionar por ejemplo: los reactores de lecho fluidizado circulante,
empleados para la obtención de bioaceite combustible, reactores tipo vortex,
reactores de flujo concurrente, conos rotatorios entre otros.
Reactor de lecho fluidizado
Se utiliza para reacciones donde intervengan un sólido y un fluido (generalmente
un gas). En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a través de las
partículas sólidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas, con el
movimiento rápido de partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la
temperatura evitando la formación de zonas calientes. Ver figura 27.
Reactor de lecho fluidizado
Figura 27 Fuente: http://www.ucm.es/info/tuma/quimicas_superficie
93
Conos rotatorios.
Desarrollada en Australia, la Columna de Conos Rotatorios (CCR) es el método
más rápido, eficaz y rentable del mundo para capturar y conservar los
componentes volátiles de todo tipo de sustancias liquidas o “slurries” (líquidos con
sólidos en suspensión), a alta velocidad y bajas temperaturas. Figura 28
Esquema general de conos rotarios
Figura 28 Fuente: http://www.conetech.com
4.5 Contaminación producida por pirolisis e incineración El tratamiento térmico de residuos tiene una historia larga y polémica. El enfoque
más simplista y contaminante es quemar los residuos en un vertedero o tiradero a
cielo abierto. Esta combustión incontrolada no proporciona ningún tipo de
contención o tratamiento de los gases, cenizas y otros residuos de la combustión
ni de otras emisiones contaminantes asociadas.
Por ejemplo: Las incineradoras de residuos hospitalarios están diseñadas para
proporcionar un mayor control durante el proceso de combustión. Sin embargo, al
encontrarse habitualmente materiales clorados entre los residuos hospitalarios, se
forman y emiten inevitablemente productos de combustión incompleta (PICs)
94
tóxicos, como las dioxinas y los furanos, en el flujo de gases que emergen del
horno y en otros residuos de incineración, ver figura 29. El hecho de que el
oxígeno forme parte de la estructura molecular de las dioxinas y los furanos
sugiere que se podría reducir o evitar la formación de estos PICs, en particular
mediante la minimización o la total exclusión del oxígeno en el tratamiento térmico
de residuos.
Estructuras químicas de furano y dioxina dos contaminantes persistentes y bioacumulables muy tóxicos.
Figura 29 Fuente: http://www.cienciaybiologia.com
Las técnicas de tratamiento térmico de residuos se dividen en dos grandes
categorías:
1) Aquellas en las que los residuos se queman en presencia de oxígeno, es decir,
las técnicas de incineración.
2) Aquellas en las que se someten a altas temperaturas los residuos en ausencia
de o con poco oxígeno, de modo que no hay combustión directa, es decir, la
pirólisis (a veces denominada termólisis) y la gasificación.
Cuando en una incineradora se reduce el nivel de oxígeno por debajo del óptimo
para la combustión, se dice que la planta funciona “con aire controlado” o en
95
“modo pirolítico”. La pirólisis se define como la degradación térmica de una
sustancia en ausencia de oxígeno o con una cantidad limitada del mismo.
La pirólisis se lleva a cabo habitualmente a temperaturas de entre 400 ºC y 800
ºC. A estas temperaturas los residuos se transforman en gases, líquidos y cenizas
sólidas denominadas “coque” de pirólisis. Las proporciones relativas de los
elementos producidos dependen de la composición de los residuos, de la
temperatura y del tiempo que ésta se aplique. Una corta exposición a altas
temperaturas recibe el nombre de pirólisis rápida, y maximiza el producto líquido.
Si se aplican temperaturas más bajas durante períodos de tiempo más largos,
predominarán las cenizas sólidas. Aunque muchos defensores de los sistemas de
tratamiento de residuos más modernos se refieren a la pirólisis como una técnica
nueva, PNUD (1999), en realidad no lo es. La pirólisis se ha utilizado durante
siglos en la producción de carbón, FAO (1994), y también de forma extensiva en
las industrias química y petrolífera.
De especial interés resulta el hecho de que muchos de los diseños actuales de
incineradoras de residuos hospitalarios funcionan mediante un proceso de dos
fases: una cámara pirolítica seguida de una cámara de postcombustión.
Algunos equipos de incineración son de uso común en la industria, como el que se
observa en la figura 30. Algunos otros son producidos en serie como las
incineradoras de Compact Power (2002) y de Statewide Medical Services (2002).
96
Horno de Incineración de Residuos Sólidos
Figura 30 Fuente: http://www.agroterra.com
Otra de las no tan modernas técnicas de tratamiento pirolítico es la “gasificación”,
definida como la transformación de una sustancia sólida o líquida en una mezcla
gaseosa mediante oxidación parcial con aplicación de calor. La oxidación parcial
se consigue normalmente restringiendo el nivel de oxígeno (o aire) en la cámara
de postcombustión (pirólisis). El proceso se optimiza para generar la máxima
cantidad de productos gaseosos de descomposición, normalmente monóxido de
carbono, hidrógeno, metano, agua, nitrógeno y pequeñas cantidades de
hidrocarburos superiores.
Si el oxidante usado es aire, el gas producido se llama “gas pobre” y normalmente
su poder calorífico no superará el 25% del gas natural. Si el oxidante utilizado es
oxígeno o aire enriquecido, el “gas de síntesis” resultante tendrá un poder
calorífico mayor debido a la ausencia de nitrógeno, normalmente entre el 25% y el
40% del gas natural.
Aunque la gasificación es un proceso pirolítico optimizado para la mayor obtención
de gases, genera subproductos líquidos y sólidos que pueden contener altos
97
niveles de contaminantes tóxicos. El grado de contaminación dependerá de la
cantidad de residuos tratados, del tipo de técnica y de cómo se lleve a cabo.
El calor requerido para la pirólisis es generado por combustibles tradicionales (gas
natural, petróleo, etc.), o mediante el uso de electricidad para crear plasmas de
altas temperaturas. En los sistemas de plasma la fuente principal de calor es una
antorcha o un arco de plasma que puede alcanzar temperaturas de entre 3.000 ºC
y 20.000 ºC. Los plasmas se generan normalmente mediante un arco o descarga
eléctrica de gran energía y, por tanto, requieren considerables cantidades de
energía para funcionar.
Aunque los sistemas pirolíticos difieren en algunos aspectos de la incineración
convencional, son suficientemente similares a las incineradoras como para ser
legalmente clasificados como tales por la Unión Europea. El gobierno federal de
los EE.UU. también define los sistemas que usan plasma, consistentes en un arco
o descarga eléctrica de alta intensidad seguida de una post-combustión, como
incineración.
Muchos partidarios de los sistemas pirolíticos mantienen que ellos no incineran y
no generan subproductos peligrosos como las dioxinas. Sin embargo, no han
proporcionado información detallada que lo demuestre en sistemas a escala real
que traten residuos hospitalarios o de otro tipo. De hecho, los datos limitados de
sistemas a escala real han demostrado que en ellos se forman dioxinas, furanos y
otros productos de combustión incompleta.
Una revisión reciente de los sistemas pirolíticos llevada a cabo por el grupo de
investigación británico CADDET (1998) muestra datos preocupantes sobre los
residuos de estos procesos:
“Las diversas técnicas de gasificación y pirólisis pueden producir residuos sólidos
o líquidos en varias de sus fases. Muchos gestores opinan que estos materiales
no son residuos que requieran eliminación, sino productos utilizables. Sin
embargo, en muchos casos, tal afirmación sigue sin ser demostrada y cualquier
98
comparación de las diversas opciones de tratamiento de residuos debería
considerar las emisiones al aire, el agua y la tierra”.
CADDET (1998) también prestaba una especial atención a los residuos
líquidos:
“Los residuos líquidos de la planta (de combustión masiva) provienen de los restos
de purgar el horno y de los sistemas de filtros húmedos cuando se usan para
limpiar el gas. Aunque estas fuentes también son propias de los sistemas de
gasificación y pirólisis que usan ciclos de vapor o depuradores húmedos, estas
técnicas también pueden producir residuos líquidos como resultado de la
reducción de materia orgánica. Estos residuos pueden ser altamente tóxicos y,
como tales, requieren tratamiento. Cualquier emisión de residuos líquidos al
medioambiente debería, por tanto, considerarse cuidadosamente”.
En su estudio de un sistema municipal de gasificación de residuos a escala
comercial en Alemania, que funcionaba en condiciones de pirólisis, Mohr et al.
(1997) descubrieron que las dioxinas y los furanos se formaban en procesos con
niveles especialmente altos de producción de residuos líquidos. Weber y Sakurai
(2001) han investigado recientemente la formación de dioxinas y furanos en
condiciones de pirólisis y han llegado a la conclusión de que, definitivamente, se
formaban a partir de residuos que contienen cloro y cobre.
Algunos otros investigadores han encontrado resultados similares para una serie
de residuos comunes, lo que demuestra claramente que en los sistemas de
pirólisis/gasificación se pueden formar dioxinas, furanos y otros contaminantes
orgánicos persistentes. Parece, por tanto, que los sistemas de pirólisis y
gasificación, aunque se promocionen como alternativas limpias no incineradoras,
generan dioxinas, furanos y otros contaminantes, a pesar de la publicidad y la
promoción que afirman lo contrario.
99
Unidad 5. Generación de productos químicos a partir de biocombustibles
Objetivo educacional. Comprenderá la importancia de la producción de
sustancias químicas a partir de biocombustibles.
5.1 Propiedades fisicoquímicas de los biocombustibles Existen dos tipos de biocarburantes. Bioetanol (o bioalcohol), alcohol producido
por fermentación de productos azucarados (remolacha y la caña de azúcar).
También puede obtenerse de los granos de cereales (trigo, la cebada y el maíz),
previa hidrólisis o transformación en azúcares fermentables del almidón contenido
en ellos. Pueden utilizarse en su obtención otras materias primas menos
conocidas como el sorgo dulce.
El bioetanol se utiliza en vehículos como sustitutivo de la gasolina, bien como
único combustible o en mezclas que, por razones de miscibilidad entre ambos
productos, no deben sobrepasar el 5−10% en volumen de etanol en climas fríos y
templados, pudiendo llegar a un 20% en zonas más cálidas. El empleo del etanol
como único combustible debe realizarse en motores específicamente diseñados
para el biocombustible. Sin embargo, el uso de mezclas no requiere cambios
significativos en los vehículos, si bien, en estos casos el alcohol debe ser
deshidratado a fin de eliminar los efectos indeseables sobre la mezcla producida
por el agua.
Un biocarburante derivado del bioetanol es el ETBE (etil ter−butil éter) que se
obtiene por síntesis del bioetanol con el isobutileno, subproducto de la destilación
del petróleo. El ETBE posee las ventajas de ser menos volátil y más miscible con
la gasolina que el propio etanol y, como el etanol, se aditiva a la gasolina en
100
proporciones del 10−15%. La adición de ETBE o etanol sirve para aumentar el
índice de octano de la gasolina, evitando la adición de sales de plomo. También se
utilizan ambos productos como sustitutivos del MTBE (metil ter−butil éter) de
origen fósil, que en la actualidad se está empleando como aditivo de la gasolina
sin plomo.
Biodiesel, también denominado biogasóleo o diester, constituye un grupo de
biocarburantes que se obtienen a partir de aceites vegetales como soja y girasol
(dos principales cultivos de oleaginosas en la Unión Europea). Los biodiesel son
metilesteres de los aceites vegetales obtenidos por reacción de los mismos con metanol, mediante reacción de transesterificación, que produce glicerina como
producto secundario.
Los metilesteres de los aceites vegetales poseen muchas características físicas y
físico−químicas muy parecidas al gasóleo con el que pueden mezclarse en
cualquier proporción y utilizarse en los vehículos diesel convencionales sin
necesidad de introducir modificaciones en el diseño básico del motor. Sin
embargo, cuando se emplean mezclas de biodiesel en proporciones superiores al
5% es preciso reemplazar los conductos de goma del circuito del combustible por
otros de materiales como el vitón, debido a que el biodiesel ataca a los primeros.
A diferencia del etanol, las mezclas con biodiesel no modifican muy significativamente gran parte de las propiedades físicas y fisicoquímicas del
gasóleo, tales como su poder calorífico o el índice de cetano.
Así como el octano mide la calidad de ignición de la gasolina, el índice de cetano
mide la calidad de ignición de un diesel. Es una medida de la tendencia del diesel
a cascabelear en el motor.
La escala se basa en las características de ignición de dos hidrocarburos,
101
CH3 . (CH2)14 . CH3
Cetano
(n-hexadecano)
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
| | | | | | |
CH3 CH CH . CH . CH . CH . CH . CH . CH3
Heptametilnonano
El n-hexadecano tiene un periodo corto de retardo durante la ignición y se le
asigna un cetano de 100; el heptametilnonano tiene un periodo largo de retardo y
se le ha asignado un cetano de 15. El índice de cetano es un medio para
determinar la calidad de la ignición del diesel y es equivalente al porcentaje por
volumen del cetano en la mezcla con heptametilnonano, la cual se compara con la
calidad de ignición del combustible prueba (ASTM D-613). La propiedad deseable
de la gasolina para prevenir el cascabeleo es la habilidad para resistir la
autoignición, pero para el diesel la propiedad deseable es la autoignición.
Típicamente los motores se diseñan para utilizar índices de cetano de entre 40 y
55, debajo de 38 se incrementa rápidamente el retardo de la ignición.
5.2 Aplicaciones
Los biocombustibles son productos obtenidos a partir del girasol, caña de azúcar o
remolacha. El proceso de obtención de biodiesel a partir de aceites vegetales,
grasas animales y aceites de fritura usados, para su uso como combustible Diesel,
se ha llevado a cabo en los Laboratorios de Desarrollo de Procesos Químicos y
Bioquímicos Integrados del Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de
Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid.
El proceso comprende la transesterificación del aceite o grasa con alcoholes
ligeros, utilizándose un catalizador adecuado, para generar ésteres de ácidos
grasos (biodiesel). El alcohol que generalmente se utiliza es metanol, aunque se
102
pueden utilizar otros alcoholes ligeros, como etanol, propanol o butanol. Como
coproducto se obtiene glicerina, que se puede utilizar en otros procesos de interés
industrial, suponiendo un factor positivo desde el punto de vista económico.
Líquidos. El bioaceite puede sustituir los aceites combustibles o al diesel en muchas
aplicaciones estáticas como calderas, hornos, motores diesel y turbinas de gas.
Productos químicos están siendo extraídos o derivados del bioaceite entre los que
se incluyen: aditivos para combustibles y productos para la industria como son las
resinas
En Cuba se han utilizado los líquidos de pirólisis como agentes en la producción
de hormigón poroso, se ha logrado también el uso de los productos de pirólisis
como agentes tensoactivos para preparación de emulsiones acuosas de
fracciones de petróleo crudas y destiladas.
Carbón vegetal Se emplea directamente en la metalurgia y en fogones domésticos.
Gas El gas de calor específico de combustión bajo se puede emplear en motores de
combustión interna y el de calor específico alto tanto en motores como en turbinas
de gas.
Las principales formas de utilización de los biocombustibles son: la combustión
para producir calor aplicable a la calefacción urbana, a procesos industriales o a la
generación de electricidad, y la carburación en motores térmicos, tanto de
explosión como de combustión interna.
103
También se están desarrollando en la actualidad biocombustibles gaseosos para
su uso en turbinas de gas para producir electricidad. A continuación resumiré los
principales campos de aplicación y los biocombustibles más adecuados:
Producción de electricidad
- Mediante alternadores acoplados a motores accionados por biocombustibles
líquidos, biogás o gas de gasógeno. Utilizable en general para potencias inferiores
a 1 MW.
- Mediante centrales térmicas de combustión que utilicen biocombustibles
sólidos para producir vapor y para mover una turbina acoplada a un alternador.
Utilizables para potencias entre 1 y 100 MW.
Mediante plantas de gasificación de la biomasa, cuyo gas puede generar
electricidad mediante un proceso de ciclo combinado de turbina de gas y
producción de vapor. Utilizable para instalaciones entre 1 y 40 MW.
Transporte y motores móviles Bioetanol sustitutivo de la gasolina, obtenido a partir de biomasa producida en
cultivos específicos para este objetivo (alcoligénicos). Bioaceites y los
correspondientes ésteres derivados, sustitutivos del gasoil de automoción,
obtenidos a partir de semillas oleaginosas.
Gas de cocina Biogás obtenido por el proceso de digestión anaeróbica de aguas residuales.
Gas de gasógeno obtenido a partir de biomasa lignocelulósica.
104
Calefacción Combustión de biomasa lignocelulósica, ya sea en viviendas o en distritos
residenciales.
Actividades que utilicen motores estáticos no eléctricos Algunas actividades que se desarrollan en pleno campo lejos de las líneas de
corriente eléctrica como, por ejemplo, el caso de las serrerías en pleno monto o de
bombas de sacar agua para el riego, pueden desarrollarse con motores de
explosión o de combustión y tener alimentación por gas de gasógeno o por
biocombustibles líquidos.
Para entender mejor los procesos de producción y aprovechamiento de los
biocombustibles a continuación se presenta la tabla 16. En ella se presenta una
síntesis de los principales procesos de transformación y de los biocombustibles
derivados, así como los campos de utilización más frecuentes en cada uno de
ellos.
Procesos de Transformación de Biocombustibles y sus Aplicaciones
Mecánicos Termoquímicos Biotecnológicos Extractivos
Procesos Astillado Trituración Comparación
Pirólisis Gasificación Fermentación Digestión anaerobia
Extracción Físico-química
Productos Leñas Astillas Aserrín
Carbón Aceites
Gas de gasógeno
Etanol Varios
Biogás CO2 , CH4
Aceites Ésteres Hidrocarburos
Aplicaciones Calefacción Electricidad
Calefacción Electricidad Transporte Industria química
Calefacción Electricidad Transporte Industria química
Transporte Industria Química
Calefacción Electricidad
Transporte Industria química
Tabla 16 Fuente: http://usuarios.multimania.es/biodieseltr
105
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