Mitigación del GEI Metano (CH4) en sitio de disposición de residuos mediante coprocesamiento de residuos en horno de cemento

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El residuo sólido urbano (RSU), así como los residuos industriales, cuentan con una importante fracción de materia biogénica, que al ser dispuestos en vertederos emiten gas de efecto invernadero (GEI) metano (CH4) y otros compuestos durante su descomposición a través del metabolismo de distintas bacterias en condiciones anaerobias. Reciclar estos residuos como combustible en hornos cementeros aprovecha los residuos, a la vez que los destruye, evitando con ello la correspondiente emisión de metano que se hubiera producido en el sitio de disposición.

Autor: M.C. Enrique de Hoyos, Gerente de Acción climática y Tecnología, CEMEX México.

Fuente: FICEM

Gases de efecto invernadero y potencia de calentamiento global

La ciencia muestra al cambio climático como uno de los grandes retos que vive la Humanidad, con variaciones en los patrones del clima que traen como consecuencia fenómenos de deshielo e inundaciones, regiones con sequías más prolongadas y huracanes más intensos, entre otros casos, con afectaciones en ecosistemas, disponibilidad de recursos y en la calidad de vida. El portal web del Global Climate Change de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) indica que, por el aumento de emisiones de CO2 de actividades humanas, desde finales del siglo XIX se ha dado un incremento en la temperatura promedio del planeta de aproximadamente 1,18 grados Celsius, así como también un aumento en el nivel de los mares de alrededor de 20 cm en el último siglo, con tendencia a acelerarse aún más cada año [1].

Así las cosas, los gases de efecto invernadero (GEI) antropógenos (también denominados antropogénicos), los originados por la actividad humana, son una preocupación, y distintos organismos y naciones se han dado a la tarea de buscar cómo reducir su emisión. Ya en el Protocolo de Kioto, un acuerdo adoptado el año 1997, se consideraban 6 tipos de GEI (CO2, CH4, N2O, HFCs, PFCs y SF6), advirtiendo la necesidad de atenuar su emisión mediante distintas iniciativas para mitigar el calentamiento global.

Asimismo, el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) destacaba en uno de sus documentos del año 1990, que “en la consideración de opciones de políticas referentes al manejo de los gases de efecto invernadero, es necesario disponer de criterios simples que reflejen la capacidad relativa de cada gas de efecto invernadero en afectar la fuerza radiante, y con ello al clima. Un enfoque útil podría ser expresar cualquier estimado” como una magnitud equivalente a la de “un gas de inquietud prioritaria, como lo es el dióxido de carbono” [2]. Esto es lo que se conoce como Potencial de Calentamiento Global o GWP por sus siglas en inglés. Aunque el CO2 tiene un Potencial de Calentamiento Global menor que otros GEI, se utiliza como base al ser el más emitido, y se asigna a él un GWP igual a la unidad (1,0).

Figura 1: Los vertederos, fuente antropógena de gas metano.

La Tabla 1 muestra el potencial de calentamiento global (GWP) de distintos GEI, a horizonets de tiempo de 20 y 100 años. Tomando como caso de análisis al metano, el valor de GWP considerado por distintos organismos paraeste GEI es de 28, denotando que una tonelada de CH4 tendría un efecto en el calentamiento global equivalente al que tendrían 28 toneladas liberadas de CO2. Sin embargo, nótese que el GWP de este gas a un horizonte de 20 años es mucho mayor, dando cuenta que el efecto inmediato y de mediano plazo de evitar la emisión de una tonelada de metano sería equivalente a remover 84 toneladas de CO2 (GWP20). Asimismo, en la misma tabla se observa que conforme incrementa la vida media de un GEI, también aumenta su potencial de calentamiento global a largo plazo.

Tabla 1: Potencial de calentamiento global (GWP) de gases de efecto invernadero a horizontes de 20 y de 100 años [3].

Emisiones de metano en vertederos

Cuando está confinada en vertederos, la fracción biogénica de los residuos acarrea emisiones de metano, debido a su biodegradación por el metabolismo de distintas bacterias. Como evidencia, en la Figura 2 se presenta una representación gráfica de los resultados de un estudio técnico cursado en vertederos daneses, donde se realizaron mediciones reales de las emisiones de CH4 [4]. Según se ha mencionado previamente, el metano es contablemente 28 veces más potente que el CO2 para el cambio climático, entendiendo que su efecto a corto plazo es incluso varias veces más nocivo.

Figura 2: Emisiones de metano en vertederos [4].

Por su parte, la Agencia de Protección al Ambiente de los Estados Unidos de Norteamérica (EPA) indicó, en su inventario más reciente, que los vertederos de EE.UU emitieron 109,3 millones de toneladas de CO2 e a partir de CH4, representando el 16,8% del metano antropógeno total emitido por todas las fuentes de ese país [5].

Una solución adecuada y disponible para mitigar esta emisión es reciclar estos residuos (Figura 3) en un proceso productivo a través del coprocesamiento, logrando además su eliminación y evitando todos los impactos que se hubieran generado en el vertedero. Una alternativa posible es realizar este reciclaje en hornos de clínker al utilizarlos como combustible alternativo, aprovechando las condiciones excepcionales de esta instalación: altas temperaturas de operación, disponibilidad de oxígeno y tiempos de residencia adecuados para promover una combustión completa; lavado de gases y una adecuada integración de las cenizas al clínker.

Figura 3: Fracción de RSU compactada para ser enviada a coprocesar en horno cementero.

Cuantificación de emisiones de metano

Existen distintas metodologías útiles para cuantificar las emisiones de metano que devienen de distintos orígenes, como las establecidas por el IPCC y en el marco del Protocolo de Kioto. Para biomasas es usual encontrar valores referidos de generación de este GEI entre 50 y más de 100 kg de CH4/tonelada de biomasa, dependiendo de diversos factores, como la composición y la temperatura ambiente, entre otros casos. Un cálculo a través de la metodología descripta en “Appendix B of the simplified modalities and procedures for small-scale CDM project activities; Indicative simplified baseline and monitoring methodologies for selected small-scale CDM project activity categories”, para proyectos MDL (Mecanismos de Desarrollo Limpio) del Protocolo de Kioto, con los valores iniciales [6], produce un valor de 61,6 kg CH4/tonelada de biomasa:

CH4_IPCCdecay= (MCF*DOC*DOCF*F*16/12) = 0,4*0,3*0,77*0,5*16/12 = 0,0616 t CH4/t biomasa

Referencias: MCF: factor de corrección de metano; DOC: carbono orgánico degradable; DOCF: fracción de DOC disímil al gas de vertedero; F: fracción de metano en gas de vertedero.

Otros documentos recientes del año 2019, también publicados por IPCC, sugieren adoptar un MCF de 0,7 para vertederos pobremente administrados [7]. Con ello, el factor de generación de metano se incrementa a 107,8 kg CH4/tonelada de biomasa:

CH4_IPCCdecay = (MCF*DOC*DOCF*F*16/12) = 0,7*0,3*0,77*0,5*16/12 = 0,1078 t CH4/t biomasa

La Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) de México indica que los residuos sólidos urbanos (RSU) generados en este país están compuestos, en promedio, por un 65,8% de productos orgánicos (residuos de comida, restos de poda y jardín, y otros materiales orgánicos similares), así como de papel y cartón [8]. Con esta información, aun sabiendo que otras fracciones del RSU también contienen materiales biogénicos, se estima que una tonelada de RSU, en un relleno sanitario, emitiría en el orden de 2.007 kg CO2e/t RSU (dos mil siete kg CO2e/t RSU), asumiendo que al menos la mitad de los textiles son de origen natural y que el contenido de biomasa en el RSU totaliza un 66,5%.

[0,1078 t CH4/t biomasa] * [0,665 t biomasa/t RSU] * [28 t CO2e/t CH4] = 2.007 t CO2e/t RSU

Conclusión

El reciclaje energético de residuos sólidos urbanos como combustible mediante el coprocesamiento en hornos de clínker permite otorgarles una segunda vida para producir cemento, a la vez que genera cadenas de valor con beneficios sociales regionales. Asimismo, también trae consigo la reducción de impactos al medio ambientes, al destruir un material que de otra manera sería confinado en vertederos y generaría emisiones nocivas al aire, suelo y agua subterránea.

En lo que respecta el cambio climático, cada tonelada de RSU alimentada al horno es destruida y permite evitar emisiones de CH4 en el vertedero equivalentes a 2.007 toneladas de CO2e/tonelada de RSU, calculado con el potencial de calentamiento global (GWP) de CH4 en un horizonte a 100 años, el efecto benéfico de esta medida es 3 veces mayor [3], reflejando, a este horizonte de tiempo, mitigaciones por alrededor de 6.021 t CO2e/t RSU.

Bibliografía

[1] https://climate.nasa.gov/evidencia/#:-:text=La%20temperatura%20promedio%20de%20la,atm%C3%B3sfera%20y%20otras%20actividades%20humanas.

[2] Varios (1990). Climate Change; the IPCC Scientific Assesment. Press Syndicate of the University of Cambridge, Cambridge, UK.

https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/ipcc_far_wg_l_full_report.pdf

[3] Myhre, G., D. Shindell, F.-M. Bréon, W. Collins, J. Fuglestvedt, J. Huang, D. Koch, J.-F. Lamarque, D. Lee, B. Mendoza, T. Nakajima, A. Robock, G. Stephens, T. Takemura and H. Zhang, 2013: Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf

[4] L.Fjelsted , et al. (2019). Assessment of a Landfill Methane Emission Screening Method Using an Unmanned Aerial Vehicle Mounted Thermal Infrared Camera – A Field Study. Waste Management, Volume 87, 15 March 2019, Pages 893-904. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956053X18303283

[5] https://www.epa.gov/lmop/frequent-questions-about-landfill-gas

[6] Appendix B of the simplified modalities and procedures for small-scale CDM project activities Indicative simplified baseline and monitoring methodologies for selected small-scale CDM project activity categories. Version 3.0, 30 June 2004.

https://cdm.unfccc.int/filestorage/C/D/M/CDM_AMSUKNGGYTUW8JBX4YCG30NO4GI5429XG/ssc_iii_e.pdf?t=T0N8cmNiaW0zfDA–on6MlUUlBkIhaHcEl54

[7] 2019 Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories; Chapter 3: Solid Waste Disposal. 2019, P 3.13.

https://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2019rf/pdf/5_Volume5/19R_V5_3_Ch03_SWDS.pdf

[8] Sistema Nacional de Información Ambiental y de Recursos Naturales; Informe del Medio Ambiente. https://apps1.semarnat.gob.mx:8443/dgeia/informe18/tema/cap7.html#tema1

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