miniaturadeimagen|Duiven, Países Bajos: AVR Duiven, una planta de conversión de residuos en energía.
El aprovechamiento energético de residuos, valorización energética de residuos o conversión de residuos en energía (en inglés, waste-to-energy, WtE) comprende los procesos mediante los cuales se obtiene energía en forma de electricidad, calor o combustible a partir de materiales considerados residuos.
La valorización energética puede aplicarse a residuos sólidos urbanos, residuos industriales, agrícolas y ganaderos, lodos de depuradora, residuos alimentarios, aceites usados y otras corrientes residuales con contenido energético. Las tecnologías disponibles incluyen procesos termoquímicos, como la incineración, la gasificación y la pirólisis; procesos biológicos, como la digestión anaeróbica y la fermentación; y procesos fisicoquímicos destinados a obtener combustibles líquidos o sólidos.
La elección de una tecnología depende de la composición, humedad, homogeneidad y poder calorífico del residuo, de la escala de tratamiento, de la infraestructura disponible, de la energía o combustible que se pretende obtener y de factores económicos y ambientales.
El aprovechamiento energético constituye una opción de gestión de residuos distinta del reciclaje. En la Unión Europea, la jerarquía de residuos establece, por este orden, la prevención, la preparación para la reutilización, el reciclado, otras formas de valorización —entre ellas la valorización energética— y finalmente la eliminación.
Por ello, la recuperación de energía se utiliza principalmente para corrientes que no han podido evitarse, reutilizarse o reciclarse de manera técnica, económica y ambientalmente adecuada. Su posición concreta en la jerarquía depende además del proceso empleado: por ejemplo, una instalación de incineración municipal debe alcanzar determinados niveles de eficiencia energética para ser considerada una operación de valorización y no de eliminación en la legislación europea.
Terminología y alcance
El concepto de valorización energética abarca tecnologías muy diferentes entre sí. La Comisión Europea incluye dentro de los procesos de conversión de residuos en energía la coincineración en plantas industriales, la incineración en instalaciones específicas, la digestión anaerobia de residuos biodegradables, la fabricación de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos derivados de residuos y procesos como la pirólisis y la gasificación.
No todas estas tecnologías producen directamente electricidad. Algunas generan un combustible intermedio —como biogás, gas de síntesis, bioaceite, biocarbón, biodiésel o combustible derivado de residuos— que posteriormente puede emplearse en otro proceso energético.
Tampoco toda la energía obtenida de los residuos se considera necesariamente energía renovable. Los residuos urbanos suelen contener una fracción biogénica —papel, madera, alimentos u otros materiales de origen biológico— y otra de origen fósil, principalmente determinados plásticos. La consideración renovable de la energía producida depende por ello de la composición del residuo y de la legislación aplicable.
Papel en la gestión de residuos
Jerarquía de residuos
La recuperación de energía constituye una parte de los sistemas integrados de gestión de residuos, pero generalmente ocupa una posición inferior a la prevención, la reutilización y el reciclaje.
La Directiva Marco de Residuos de la Unión Europea establece la siguiente jerarquía:
prevención; preparación para la reutilización; reciclado; otras formas de valorización, incluida la valorización energética; eliminación.
La jerarquía tiene como finalidad favorecer las opciones con un mejor resultado ambiental global, aunque permite excepciones justificadas mediante un enfoque de análisis de ciclo de vida.
En España, la Ley 7/2022, de residuos y suelos contaminados para una economía circular incorpora el mismo principio a la legislación nacional.
Esta posición implica que la valorización energética no debe emplearse para desplazar sistemáticamente corrientes que puedan prevenirse o reciclarse de forma adecuada. La Comisión Europea ha advertido también del riesgo de crear una capacidad excesiva de incineración que genere incentivos para alimentar las instalaciones con residuos potencialmente reciclables.
Recuperación de materiales
Algunos procesos energéticos permiten recuperar simultáneamente materiales. En la incineración pueden separarse metales de las escorias; en la digestión anaerobia se obtiene digestato, susceptible de utilización agrícola cuando cumple los requisitos de calidad; y los tratamientos termoquímicos pueden producir materiales carbonosos o productos químicos además de energía.
Por ello, los sistemas modernos se analizan cada vez más desde una perspectiva conjunta de recuperación energética y de recursos, en lugar de considerar únicamente la electricidad generada.
Tecnologías
Las tecnologías pueden clasificarse de forma general en procesos termoquímicos, biológicos y fisicoquímicos. Algunas instalaciones combinan varios de ellos.
Conversión termoquímica
Los procesos termoquímicos utilizan calor para transformar la fracción combustible de los residuos. Las principales rutas son la combustión o incineración, la gasificación y la pirólisis; existen además variantes como la gasificación por plasma, la torrefacción y los procesos hidrotérmicos.
Incineración con recuperación de energía
La incineración es la tecnología de valorización energética de residuos sólidos urbanos más consolidada y extendida. Consiste en la oxidación completa de la fracción combustible del residuo en presencia de un exceso de oxígeno, generalmente a temperaturas superiores a unos 850 °C.
El calor liberado se utiliza normalmente para producir vapor en una caldera. Este vapor puede accionar una turbina de vapor y generar electricidad, suministrar calor a una red de calefacción urbana o emplearse simultáneamente para ambos fines mediante cogeneración. El aprovechamiento combinado de electricidad y calor permite obtener una mayor eficiencia energética que la generación exclusivamente eléctrica.
Una de las ventajas de la incineración es su capacidad para tratar residuos relativamente heterogéneos con un pretratamiento limitado y reducir considerablemente su masa y volumen.
El proceso produce escoria, cenizas volantes y residuos de los sistemas de depuración de gases. Las escorias pueden someterse a tratamiento para recuperar metales y, bajo determinadas condiciones legales y técnicas, aprovechar su fracción mineral.
La combustión genera dióxido de carbono y puede producir óxidos de nitrógeno, gases ácidos, partículas, metales pesados, dioxinas y otros contaminantes, por lo que las instalaciones modernas incorporan sistemas de control y depuración de gases. Las mejores técnicas disponibles en la Unión Europea establecen límites y sistemas de seguimiento para contaminantes como mercurio, otros metales, NOx, dióxido de azufre, ácido clorhídrico, partículas, dioxinas y furanos.
Combustión en lecho fluidizado
La combustión en lecho fluidizado es una variante de la combustión en la que el combustible se quema dentro de un lecho de partículas sólidas mantenidas en suspensión mediante una corriente de aire.
Puede ofrecer una mezcla y transferencia de calor más homogéneas que las parrillas convencionales, pero normalmente necesita residuos previamente procesados hasta conseguir un tamaño y una composición relativamente uniformes. Por ello se utiliza con frecuencia con combustibles derivados de residuos, biomasa o mezclas de ambos.
Coincineración y coprocesamiento
La coincineración consiste en utilizar residuos como combustible total o parcial en una instalación cuya función principal puede ser distinta del tratamiento de residuos. Entre los ejemplos se encuentran centrales térmicas, hornos industriales y especialmente hornos de cemento.
En la industria cementera se utiliza también el término coprocesamiento. Determinados residuos con poder calorífico sustituyen parte de los combustibles fósiles utilizados para calentar el horno, mientras que algunos componentes minerales pueden incorporarse al propio clínker.
La idoneidad del residuo depende de parámetros como su poder calorífico, humedad y contenido en cloro, metales y otros contaminantes. El tratamiento previo permite elaborar combustibles de características más controladas.
Combustible derivado de residuos
El combustible derivado de residuos (CDR; en inglés, refuse-derived fuel, RDF) se obtiene mediante la separación y acondicionamiento de la fracción combustible de determinados residuos.
El procesamiento puede incluir trituración, cribado, separación de metales, eliminación de fracciones inertes, secado y homogeneización. El resultado presenta normalmente un poder calorífico y unas propiedades más uniformes que el residuo municipal original.
Los CDR pueden utilizarse en instalaciones de combustión, gasificación o coincineración. Existen asimismo combustibles sólidos recuperados (CSR, solid recovered fuels), caracterizados conforme a especificaciones técnicas de calidad.
La fabricación del combustible no constituye por sí misma la conversión final de energía; actúa como etapa de preparación que permite utilizar una corriente residual como combustible en un proceso posterior.
Gasificación
La gasificación convierte materiales carbonosos en un gas de síntesis mediante temperaturas elevadas y una cantidad de oxígeno inferior a la necesaria para una combustión completa. También pueden emplearse vapor de agua u otros agentes gasificantes.
El gas obtenido contiene proporciones variables de monóxido de carbono, hidrógeno, dióxido de carbono, metano y otros compuestos. Después de su depuración puede utilizarse para producir calor y electricidad o, mediante procesos adicionales, obtener hidrógeno, metanol y otros combustibles o productos químicos.
A diferencia de la incineración, en la que la energía química del residuo se convierte directamente en calor mediante combustión completa, la gasificación genera primero un combustible gaseoso intermedio.
Su aplicación a residuos municipales plantea dificultades relacionadas con la heterogeneidad del material de entrada, la presencia de humedad, cloro y metales, y la formación de alquitránes. Estas características pueden dificultar la limpieza del gas y la operación estable del reactor.
La gasificación de carbón y biomasa está tecnológicamente consolidada, mientras que su utilización con residuos municipales heterogéneos presenta una implantación comercial mucho menor que la incineración convencional.
Gasificación por plasma
La gasificación por plasma utiliza un arco eléctrico para crear un gas ionizado a temperaturas extremadamente altas. La energía térmica descompone la fracción orgánica del residuo y puede producir gas de síntesis, mientras que los materiales inorgánicos pueden fundirse y formar una escoria vitrificada.
El elevado consumo eléctrico de las antorchas de plasma y el coste de los equipos condicionan el balance energético y económico. Aunque existen instalaciones y demostraciones comerciales para determinados residuos, su utilización para residuos urbanos es mucho menos extendida que la incineración y la gasificación convencional.
Pirólisis
La pirólisis consiste en la descomposición térmica de la materia orgánica en ausencia, o prácticamente ausencia, de oxígeno. Produce tres fracciones principales: un gas combustible, un líquido denominado generalmente aceite de pirólisis o bioaceite cuando procede de material biogénico, y un residuo sólido carbonoso o biocarbón.
La distribución entre gas, líquido y sólido depende de la temperatura, la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia y la composición del residuo.