Valorizar los residuos: El desafío de la industria cementera al 2030

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La búsqueda de valorización de residuos no es un desafío nuevo para la industria cementera; este proceso de recuperación y tratamiento de residuos comienza a darse en forma extensiva, especialmente en Europa a partir de los años 2000, principalmente como consecuencia de las políticas y protocolos internacionales de reducción de disposición de residuos en rellenos sanitarios.

Este artículo es un resumen, circunscrito a el caso de los residuos sólidos urbanos RSU, del estudio “Potencial de valorización de residuos en la industria cementera al año 2030” realizado por FICEM, en donde se aborda la valorización de distintos residuos (cenizas volantes, escorias, neumáticos fuera de uso) como combustibles y minerales, buscando que estos recursos se mantengan dentro de la cadena de valor de bienes y servicios.

Autor: Carlos Pinilla (Data Scientist/Omniscien Analítica Ambiental)

Fuente: FICEM

1. El desafío de los residuos sólidos urbanos en ALyC

En el mundo se generan 2 mil millones de toneladas de RSU al año, de las cuales más de una tercera parte no tienen un manejo ambientalmente seguro, además se proyecta que para el 2050, la producción de estos residuos crezca tres veces más en los países de bajos ingresos. [World Bank 2016].

La tasa promedio mundial de producción de residuos es de 0,74 Kg/hab/día [Banco Mundial], mientras que, en Latinoamérica y El Caribe, la tasa de RSU promedio es de aproximadamente 1 Kg/hab/día (Figura 2) lo que se traduce en una cantidad de aproximadamente 226 millones de toneladas/año.

Figura 2. Tasa de generación de RSU en países de América Latina y el Caribe para 2016 (Kg/día/hab).

A una tasa promedio de recolección de 84 % estamos en presencia de aproximadamente 36 millones de toneladas de residuos que no son recolectados al año en ALyC.

Esto significa que son dispuestos de forma inadecuada en sitios eriazos o cuerpos de agua, trayendo consigo proliferación de vectores de enfermedades, tales como la leptospirosis, el paludismo (malaria), el cólera y el dengue.

Para aquellos residuos que, si son recolectados en ALyC, un 20,8% van a parar a basurales a cielo abierto, donde también se producen impactos sanitarios y ambientales, dado que no consideran medidas sanitarias, tales como, cobertura diaria o impermeabilización de las superficies de depositación. Esto sumado a la acumulación de estas grandes masas de residuos en un solo lugar, muchas veces sin los estudios geotécnicos pertinentes, implican un riesgo de desplazamientos o remoción en masa y la posibilidad de incendios de difícil control y generación de humos tóxicos.

Figura 3. Participación de destino de residuos sólidos urbanos en América Latina y el Caribe.

Un 67,7 % de residuos son dispuestos en rellenos sanitarios controlados, los cuales, pese a contemplar medidas sanitarias de control, no llegan a ser la solución completa al problema con importantes efectos socioambientales. Así, incluso considerando las mejores prácticas de recolección y disposición, se generan impactos por el uso de cantidades importantes de suelo, pérdida de valor paisajístico y de calidad de vida en las áreas donde se emplazan, además de la generación de Gases de Efecto Invernadero (GEI) (por el uso de energía para su recolección/tratamiento y la metanización de la parte “orgánica” de los residuos). En este punto cabe recordar que el metano es un GEI 20 veces más poderoso que el CO2.

Así las cosas, solo un 4% de los RSU es reciclado o reutilizado (incluido el compostaje) en ALyC lo cual está muy lejos del 46% [EUROSTAT 2016] de la Unión Europea.

En América Latina, anualmente, más de 36 millones de toneladas de residuos no son recolectados y casi 39 millones de toneladas se destinan a basurales o quema a cielo abierto. De aquí la importancia del coprocesamiento como solución sanitaria y ambiental para el problema de los residuos.

[BANCO MUNDIAL 2016].

2. Europa como ejemplo de gestión de residuos

Europa, con el fin de evitar o reducir los impactos anteriormente descritos, ha tenido políticas sistemáticas tanto en reducción de generación de residuos, reciclaje, reutilización y distintas formas de eliminación; dichas políticas han dado origen a la jerarquía de gestión de residuos (Figura 4), posicionándose como un referente para legislaciones del resto del mundo.

Figura 4. Pirámide de jerarquía de gestión de residuos propuesta por Global Cement and Concrete Association GCCA.

A continuación, se describen las principales diferencias entre las tres formas de eliminación térmica de residuos que figuran en la pirámide (Figura 4); coprocesamiento, waste to energy e incineración.

  • Coprocesamiento: Es una alternativa de valorización energética de residuos que consiste en aprovechar la energía proveniente de los residuos e incluir las cenizas generadas como parte del clinker manteniendo las garantías ambientales y de calidad del producto. El uso de residuos como combustible alternativo en hornos de cemento, requiere que el proceso de combustión alcance temperaturas entre 1.500 y 1.600°C, lo cual permite la eliminación completa de patógenos, así como la minimización de emisiones de compuestos como dioxinas y furanos. Asimismo, sus emisiones de material particulado y otros contaminantes a la atmósfera son neutralizados a través de sistemas de abatimiento ya disponibles en estas instalaciones, por lo tanto, no aumentan la carga contaminante a nivel local. Su tasa de eliminación es del 100%, dado que las cenizas de la combustión quedan incorporadas en el clinker, como una forma de reutilización de largo plazo. Además, no requiere de inversiones importantes salvo aquellas adaptaciones que dependen de la forma y composición de los residuos, para elaborar un combustible que los hornos puedan combustionar. Al reemplazar el uso de combustibles fósiles convencionales por residuos, con un porcentaje de origen biogénico, se producirá una reducción en las emisiones de CO2 en la fabricación del cemento. Si a esto sumamos las emisiones de CO2 y metano evitadas, tanto por su gestión como por metanización en rellenos, la reducción neta de emisiones de CO2 podría neutralizarse por completo.
  • Waste to energy: Entendida como la generación de energía eléctrica a partir de la combustión de residuos, requiere de una inversión inicial importante en las instalaciones. Produce cenizas como residuo las cuales, por lo general, se disponen en rellenos sanitarios. En la mayoría de los casos requerirá del uso de combustibles fósiles convencionales para apoyar la combustión, lo que implica emisiones de CO2 adicionales. La combustión a temperaturas del orden de 400 °C no garantiza la eliminación de todos los compuestos tóxicos incluyendo la generación de dioxinas y furanos.
  • Incineración: Tratamiento térmico de residuos con fines sanitarios, con o sin aprovechamiento de energía. Requiere de inversiones iniciales y costos de operación. Produce cenizas como residuo las cuales, por lo general, se disponen en rellenos sanitarios. Generalmente no son instalaciones de gran tamaño y por lo tanto no pueden incinerar a temperaturas demasiado altas, generando sustancias tóxicas. En algunos casos, especialmente en América Latina y El Caribe, corresponden a instalaciones sin las condiciones óptimas tanto de ingeniería, construcción y operadas por personal de baja calificación.

El uso de residuos como combustibles alternativos para la producción de clínker es un importante eje de reducción de Gases de Efecto Invernadero (GEI), tanto por su contenido de carbono biogénico como por las emisiones evitadas en la metanización y quemas sin control.

3. Uso de residuos como energía por la industria del cemento

El coprocesamiento es una práctica que lleva al menos 3 décadas en la industria cementera, pero que se ha intensificado particularmente en los países europeos a partir de la década del 2000, en línea con las mayores restricciones a la disposición de residuos en rellenos sanitarios y a la mayor conciencia sobre los efectos del cambio climático. Esta situación, sin embargo, no ha tenido el mismo correlato en las otras regiones del mundo, particularmente en Latinoamérica y el Caribe. Efectivamente, como lo muestra la Figura 5, pese a tener en el año 1990 niveles similares de coprocesamiento, hay una divergencia importante. Mientras Latinoamérica creció muy lentamente en algunos intervalos de tiempo y en otros se mantuvo, Europa creció vigorosamente hasta llegar a superar el 50% como promedio regional y en algunos casos, como el de Austria, llegar a incluso al 80% de reemplazo de combustibles convencionales.

Figura 5. Curvas de evolución de coprocesamiento en distintas regiones del mundo (GNR 2017).

La Figura 6, desagrega el aporte de cada tipo de combustible alternativo en algunos países y regiones, en ella se aprecia que el 41,7% de aporte energético en Austria proviene del uso de combustibles derivados de residuos CDR (RDF) elaborado principalmente a partir de RSU. El 13,6% del aporte energético en la Unión Europea es dado por uso de combustibles derivados de residuos CDR (RDF). 17% del aporte energético en Austria proviene de la biomasa.

Figura 6. Composición de combustibles alternativos en el total de coprocesamiento para algunos países y regiones (GNR 2016).

Los principales combustibles alternativos usados en Europa son: CDRs, harinas de origen animal, residuos industriales mixtos, neumáticos fuera de uso, lodos de plantas depuradoras de aguas y maderas. De ellos, con distancia, los CDRs son la principal fuente energética y en gran medida determinan la diferencia con Latinoamérica. Tal es así que, como se aprecia en la Figura 7, el promedio de uso de CDRs en Europa es de 14%, en Latinoamérica es solo del 1%, es decir, solo con CDRs, Europa supera el aporte de todos los combustibles alternativos en Latinoamérica.

Figura 7. Comparación de porcentaje de participación de combustibles alternativos entre Europa y América Latina y el Caribe (GNR 2016).

4. Ejemplo de Potencial de Coprocesamiento para RSU en ALyC

4.1 Información de referencia para el cálculo de las proyecciones

Tal como se mencionó en el apartado anterior, los CDRs elaborados a partir de RSU son el principal, combustible alternativoen Europa y una solución atractiva para la región, convirtiéndose en una alternativa a la problemática de gestión deresiduos y al aprovechamiento de los mismos por su alto aporte energético.

En la Figura 8 puede observarse las composiciones de RSU promedio para distintas regiones del mundo incluida Latinoamérica y el Caribe.

Figura 8. Composición de RSU en América Latina y el Caribe, incluyendo en línea la suma de participación de residuos energéticamente coprocesables sin necesidad de deshidratación: papel, cartón, plásticos y caucho.

Pero ¿cuánto podría crecer el uso de combustibles alternativos en Latinoamérica a partir de la información disponible?

Se desarrolló una estimación del potencial de valorización de residuos en la industria del cemento de Latinoamérica y El Caribe bajo las siguientes bases de información:

  • La tasa y composición de los RSU generados por los países de Latinoamérica es al año 2016.
  • La proyección de la tasa de generación de residuos a partir de un modelo de correlación entre generación de residuos y producto interno bruto.
  • La población al año 2016.
  • La proyección de población para el año 2030.
  • Localización de plantas cementeras.
  • La producción de cemento.
  • La proyección de producción de cemento.
  • Indicadores técnicos de producción en la industria del cemento; factor clinker, consumo térmico específico.

A continuación, se describe algunos de los resultados generados como proyecciones y geoprocesos en el estudio y que se utilizan en el ejercicio del presente artículo:

Con respecto a la proyección de generación de RSU al año 2030, se ha utilizado el modelo de regresión del World Bank, representado en la Figura 9. Este modelo permite estimar la tasa de generación de residuos para un año objetivo a partir de un año base, utilizando: la tasa de generación de residuos para el año base (en este caso 2016), el PIB del país para el mismo año base y el PIB para el año objetivo (2030).

Figura 9. Regresión logarítmica de la tasa de generación de residuos con el ingreso per cápita de los países. Modelo Banco Mundial 2016.

La localización georreferenciada de las plantas cementeras se presenta en el mapa de la Figura 10 y se elaboró específicamente para el estudio.

Figura 10. Geolocalización de plantas cementeras en Latinoamérica y el Caribe.

Uniendo la localización y la población a nivel de municipios para Latinoamérica, se determinó la ubicación de los centros urbanos más cercanos a las plantas en una distancia de 100 km, que corresponde a un modelo de la viabilidad económica del transporte de residuos. En el estudio se realiza también el ejercicio para distancias de 50 y 150 km a modo referencial.

Mediante técnicas de geoprocesamiento con herramientas de SIG se lograron construir áreas de influencia de plantas cementeras conformando clústeres, con la población involucrada, la cual permitirá calcular la cantidad de residuos disponibles para las plantas contenidas en cada clúster. Es así como en la Figura 11 se muestran estos clústeres para ciertas zonas específicas de Colombia, Panamá, Ecuador y Venezuela, donde los puntos representan municipios.  

Figura 11. Clústeres de áreas de influencia de plantas cementeras y municipios contenidos en ellos.
Figura 12. Población total y población contenida dentro de áreas de influencia de plantas cementeras (100 km).

Para la proyección de producción de cemento al año 2030, se utilizaron los datos disponibles desde el año 2016 a partir de los cuales se toman las tasas de crecimiento cada 10 años de los periodos 2006-2016, 2007-2017, 2008-2018 y 2009-2019. De estas tasas, para cada país se toman el valor máximo y el valor mínimo, y finalmente se obtiene el valor medio.

Los parámetros técnicos de factor clinker y consumo térmico específico se obtuvieron de las Hojas de Ruta FICEM para los países que estaban disponibles o en su defecto de los valores regionales de GNR.

4.2 Proyección de valorización de residuos de RSU al 2030

¿Cómo se puede estimar el máximo potencial de reemplazo de combustibles utilizando RSU, en la industria cementera, al año 2030? Contando con la población ubicada a una distancia menor a 100 km de las plantas cementeras y la tasa de generación de residuos energéticamente coprocesable sin necesidad de deshidratación (papeles, cartones, madera, caucho), se puede obtener la cantidad de residuos generados en toneladas/año. De esta cantidad se considera solo el 10% dado que el destino preferente de los residuos será el reciclaje o reutilización, de acuerdo a la pirámide de jerarquía de gestión de residuos, pero que no estará permitido para aquellos residuos contaminados o sucios. Esta cantidad de residuos multiplicada por el poder calorífico de CDRs obtenido de la Hoja de Ruta FICEM, nos entrega finalmente la oferta energética disponible para el coprocesamiento de los RSU a un radio de 100 km de las plantas cementeras.

Por otro lado, tomando la proyección de producción de cemento para cada país y sus parámetros técnicos Factor clínker y consumo térmico específico, se obtiene la demanda energética anual de la industria cementera de cada país.

Finalmente, el porcentaje de la demanda energética de las plantas cementeras que puede ser cubierto con la oferta energética a partir de RSU, corresponde a el coprocesamiento máximo a partir de este tipo de residuos que se podría obtener, en base a todos los supuestos ya indicados. Estos valores, expresados como porcentaje, se presentan en la Figura 13. Con un 18% de potencial de coprocesamiento como promedio ponderado de la región. Las diferencias entre países son explicadas por: mayor población en el área de influencia de las plantas (Costa Rica, Nicaragua y Uruguay), bajas proyecciones de producción de cemento (Venezuela), baja población en el área cercana a las plantas (Bolivia) o plantas de alta producción de cemento (Perú).

Figura 13. Potencial de valorización de CDRs para países de América Latina y el Caribe al año 2030 y el promedio ponderado regional de 18%, considerando la incorporación de sólo el 10% de los RSU energéticamente coprocesables sin necesidad de deshidratación (papeles, cartones, caucho y madera) que se generan en un radio de 100 km de las plantas cementeras de la región.

Conclusiones

1.- En América Latina, anualmente, más de 36 millones de toneladas de residuos sólidos urbanos no son recolectados y casi 39 millones de toneladas se destinan a basurales o quema a cielo abierto, lo cual releva la importancia del coprocesamiento como solución al problema de los residuos.

2.- Alrededor del 50% de la población de América Latina y El Caribe habita dentro del radio de 100 km de alguna planta cementera.

3.- Los Combustibles Derivados de Residuos (CDRs) elaborados a partir de Residuos Sólidos Urbanos (RSU) son el principal combustible alternativo para la industria del cemento en Europa y una solución atractiva para la región.

4.- La industria del cemento ofrece una solución ambiental y sanitariamente segura al problema de los residuos a través del coprocesamiento, dado que utiliza infraestructura ya existente como son los hornos cementeros, no incorpora nuevas emisiones al ambiente ni genera nuevos residuos y las cenizas asociadas a la combustión quedan incorporadas en el clínker.

5.- El uso de residuos como combustibles como combustibles alternativos es un importante eje de reducción de GEI, tanto por su contenido de carbono biogénico como por las emisiones evitadas en la metanización y quemas sin control en rellenos sanitarios o basurales.

6.- 18% es el promedio ponderado regional de coprocesamiento que es posible aportar con utilizar solo el 10% de los residuos sólidos urbanos energéticamente coprocesables (papeles, cartones, plásticos, caucho) generados por la población que habita en un radio de 100 Km de las plantas cementeras de Latinoamérica y El Caribe.

7.- Si las condiciones legales, técnicas y financieras lo permitieran, la incorporación CDR a partir de los residuos sólidos urbanos no reciclables (10% de RSU energéticamente coprocesables) generados en un radio de 100 km de distancia desde la ubicación de las plantas cementeras en ALyC, representaría por si solo un 18% promedio ponderado de coprocesamiento. Esto sin considerar otras fuentes actualmente subutilizadas de combustibles alternativos, tales como, neumáticos usados, aceites fuera de uso, entre otros.

8.- Es necesario conciliar políticas públicas, alianzas público privadas y la capacidad de visión de la industria cementera para evitar que los residuos queden sin recolección y se dispongan en rellenos sanitarios, mientras se mantiene el consumo de combustibles fósiles tradicionales. De esta manera se podrían generar planes integrales de gestión de residuos que incluyan al coprocesamiento como alternativa de disposición final.

9.- Es de suma importancia continuar y profundizar el trabajo desarrollado por FICEM, orientado a la utilización de la ciencia de datos para arribar a conclusiones más robustas y mejor sustentadas en torno a las formas más eficientes y ambientalmente sustentables de gestionar los residuos y el rol determinante que le cabe a la industria del cemento en esta tarea.

10.- A todos los análisis ya expuestos sobre gestión de residuos se debe incluir la de aquellos derivados de los escombros de la construcción, los cuales tienen el doble efecto de disminuir la huella de carbono y ser valorizados como material de agregado en el concreto. En efecto, según publicaciones recientes, el concreto tiene un potencial de reabsorber alrededor del 20% de las emisiones totales de CO2 generadas durante su fabricación.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Comité de Sostenibilidad de FICEM y a su líder Camilo Sánchez por sus valiosos aportes y recomendaciones n el desarrollo del estudio “Potencial de valorización de residuos en la industria cementera al año 2030”.

Bibliografía

EUROSTAT 2016]: EUROSTAT. Recycling rate of municipal waste. [Dataset]. Versión del 16 de octubre de 2020. Recuperado de https://ec.europa.eu/eurostat/databrowser/view/sdg_11_60/default/table?lang=en

[World Bank 2016]: Silpa Kaza, Lisa Yao, Perinaz Bhada-Tata, and Frank Van Woerden (2018). What a Waste 2.0 – A Global Snapshot of Solid Waste Management to 2050. World Bank.

[GNR 2016]: GCCS in numbers. Versión del 28 de agosto de 2020. [Dataset]. Recuperado de https://gccassociation.org/gnr/

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