Tecnología de descarbonización probada en planta de conversión de residuos en energía

Investigadores daneses han demostrado que es posible eliminar la mayor parte del dióxido de carbono (CO₂) de las emisiones de una incineradora de residuos, y al demostrar la viabilidad del proceso, los investigadores creen haber desarrollado una tecnología clave en la lucha contra el cambio climático. Desde hace varios meses está en funcionamiento una planta piloto en Copenhague y una novedosa tecnología de monitoreo de gases ha permitido optimizar la eficiencia de la planta.

Crédito de la imagen: Hufton&Crow / ARC

Si los líderes mundiales quieren cumplir con sus compromisos de alcanzar el cero neto, uno de sus objetivos clave será desarrollar y explotar tecnologías de descarbonización como la captura y el almacenamiento de carbono (CCS) y la captura, la utilización y el almacenamiento de carbono (CCUS). Por ello, los investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) están trabajando con una planta de incineración de residuos altamente innovadora en Copenhague para desarrollar un proceso capaz de capturar el dióxido de carbono (CO₂) de sus emisiones. El proyecto utiliza analizadores de gases avanzados de Vaisala para medir la eficiencia de la captura de carbono y, por lo tanto, la viabilidad de la CCUS.

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Los investigadores han desarrollado una planta piloto para eliminar el CO₂ de las emisiones de la incineradora de la planta de conversión de residuos en energía en Amager Bakke, que es una de las mayores plantas de generación combinada de calor y energía eléctrica (CHP) del norte de Europa, con capacidad para tratar 560.000 toneladas de residuos al año. Desarrollada por la empresa de gestión de residuos con sede en Copenhague ARC (Amager Ressourcecenter), que es propiedad conjunta de cinco municipios del área de Copenhague, la planta de cogeneración presenta una serie de innovaciones, incluida una pista de esquí artificial en la azotea, que forma parte de un centro de actividades al aire libre conocido como CopenHill.

La planta piloto fue desarrollada para capturar CO₂ de las emisiones de procesos como el tratamiento de aguas residuales, la producción de biogás, la digestión anaeróbica y la incineración de residuos. Sin embargo, los investigadores también están investigando de qué manera se puede capturar y utilizar el CO₂. Antes de la instalación en Amager Bakke, la planta piloto de captura de carbono funcionaba en una planta de tratamiento de aguas residuales. "La tecnología en sí no es nueva", explica Jens Jørsboe, investigador de la DTU, "pero el objetivo de nuestro trabajo ha sido reducir el costo de la captura de carbono para que sea económicamente viable".

Los gases de escape del incinerador de Amager Bakke pasan a través de un precipitador electrostático (ESP, electrostatic precipitator) para eliminar partículas, los compuestos de NOx se eliminan mediante reducción catalítica selectiva (SCR, selective catalytic reduction) y un depurador elimina los óxidos de azufre. En los gases de combustión permanecen niveles altos de CO₂ y el objetivo principal de la planta piloto de captura de carbono es investigar la viabilidad de la captura. Para lograr esto, el gas pasa hacia arriba a través de una columna llena de perlas y un disolvente de monoetanolamina (MEA) que elimina el CO₂ del gas. Luego, el disolvente pasa a un desorbedor que elimina el CO₂, que ahora es casi puro, y regenera el MEA para su reutilización. Como proyecto de investigación, el CO₂ producido todavía se libera al aire en la actualidad, pero a nivel comercial existen muchas aplicaciones industriales diferentes en las que se puede utilizar el CO2. Por ejemplo, el CO₂ puede reaccionar con hidrógeno en el proceso Sabatier para producir metano (un combustible gaseoso) y agua, a temperatura y presión elevadas, en presencia de un catalizador de níquel. Este puede ser un método ecológico para fabricar combustible si el hidrógeno se genera por electrólisis utilizando energía renovable, por ejemplo, solar, biogás o eólica.

El CO₂ también se utiliza en una amplia variedad de otras industrias, incluidas las de alimentos y bebidas, refrigeración, medicina, horticultura, lucha contra incendios, soldadura, etc., por lo que existen diversos mercados potenciales si el CO₂ se puede producir con calidad y escala comerciales.

Monitoreo de la eficiencia de la captura de carbono

La optimización del proceso de captura de carbono solo se puede lograr si las concentraciones de CO₂ se pueden monitorear continuamente antes y después del proceso de captura de carbono. Por eso, fue una suerte que Vaisala desarrollara en Finlandia el primer monitor en línea de CO₂, humedad y metano antes de la construcción de la planta piloto.

Los gases de escape de los incineradores pueden ser corrosivos y potencialmente explosivos, por lo que en el pasado no fue posible realizar un monitoreo en línea. Hasta hace poco, la única solución era extraer muestras para su análisis fuera del proceso, pero este método no es adecuado para el control y la optimización del proceso y tiene una serie de defectos inherentes, como la necesidad de eliminar la humedad de la línea de muestra y el requisito de una recalibración frecuente.

El desarrollo de la sonda multigas de Vaisala, la MGP261, resolvió todos estos desafíos de monitoreo, especialmente cuando la siguió otro producto de la familia, la MGP262, que se adaptó para medir altas concentraciones de CO₂ y, por lo tanto, era ideal para el monitoreo continuo en línea de CO₂ casi puro después del desorbedor de la planta piloto.

La planta piloto emplea tres sondas Vaisala en total: la MGP261 monitorea los gases de escape entrantes del incinerador y la MGP262 mide la pureza del CO₂ extraído. La tercera es una sonda de CO₂ Vaisala CARBOCAP®, la GMP251, que comprueba los niveles de CO₂ (después de la captura de carbono) en los gases de escape de la planta piloto.

Tecnología de monitoreo única

Las tres sondas de monitoreo contienen tecnología CARBOCAP® que utiliza un filtro de interferómetro Fabry-Pérot (FPI) ajustable eléctricamente. Además de medir la especie objetivo, el filtro micromecánico FPI permite tomar una medición de referencia a una longitud de onda donde no se produce la absorción. Al tomar la medición de referencia, el filtro FPI se ajusta electrónicamente para cambiar la banda del paso de banda de desviación de la longitud de onda de absorción a una longitud de onda de no absorción. Esta medición de referencia compensa cualquier cambio posible en la intensidad de la fuente de luz, y también la acumulación de contaminación en la trayectoria óptica, lo que significa que el sensor es sumamente estable en el tiempo. 

Dentro del MGP261 y el MGP262, la humedad y el CO₂ se miden con el mismo filtro óptico y un segundo canal óptico mide el metano. En muchos sentidos, esto combina el poder analítico de un espectrómetro de laboratorio con el diseño simple y robusto de un instrumento de control de procesos industriales.

Al comentar acerca del rendimiento del equipo de monitoreo, Jens Jørsboe dice: "Estamos encantados con la precisión y fiabilidad de las sondas multigas; sobre todo porque nos han permitido aprender mucho sobre la gestión de los gases de combustión procedentes de la incineración de residuos. Se sabe mucho sobre las emisiones procedentes de la quema de combustibles fósiles, pero hay menos información disponible sobre las emisiones procedentes de la incineración de residuos. 

La tecnología empleada por las sondas de Vaisala también ayuda a minimizar los costos operativos porque al calibrarse de manera efectiva, los requisitos de servicio de las sondas han sido mínimos y se evita el tiempo de inactividad".

Captura de carbono en Copenhague y a nivel mundial

Con el beneficio del monitoreo continuo en línea, los investigadores han podido optimizar el rendimiento de la captura de carbono luego de una evaluación de doce configuraciones diferentes de plantas piloto. Una vez demostrada la viabilidad del proceso de captura de carbono, el siguiente paso fue evaluar las ventajas relativas del almacenamiento y la utilización del carbono. Jens Jørsboe afirma: "En la actualidad, la utilización de CO₂ es la opción más cara debido a los costes asociados a la refinación adicional necesaria del CO₂, por lo que los propietarios de la planta de Amager Bakke planean solicitar 1.500 millones de coronas danesas (230 millones de dólares estadounidenses) para una planta de CCS capaz de capturar 500.000 toneladas de CO2 al año, si el estado danés proporciona el marco normativo adecuado y la financiación suficiente. Esta planta emplearía el mismo proceso de depuración de aminas que se ha probado en la planta piloto de captura de carbono".

La incineración de una tonelada de residuos municipales (RSU) se asocia a la liberación de entre 0,7 y 1,7 toneladas de CO₂, dependiendo del contenido de los residuos. En consecuencia, la generación de energía a partir de la incineración de residuos es más intensiva en carbono que la quema de gas fósil, por lo que la captura de carbono ofrece una oportunidad para gestionar la creciente necesidad de tratamiento de residuos municipales sin generar niveles inaceptablemente altos de GEI.

De cara al futuro, Jens cree que esta tecnología podría aplicarse en todas las incineradoras de residuos del mundo, que según los últimos datos de ecoprog representan alrededor de 2.500 plantas WtE, con una capacidad de eliminación de alrededor de 400 millones de toneladas de residuos al año. 
Además, debería ser posible aprovechar el calor residual, que podría transferirse a la industria local o a una red de calefacción urbana. 

Resumiendo, Jens dice: "La reciente conferencia sobre cambio climático COP26 en Glasgow destacó la necesidad urgente de tecnologías que puedan ayudar a reducir las emisiones globales de gases de efecto invernadero como el CO₂. Muchos países se han comprometido a alcanzar el objetivo de cero emisiones netas, por lo que nuestro trabajo en la planta de conversión de residuos en energía de Amager Bakke les brinda la oportunidad de invertir en una de las formas en que se puede lograr ese objetivo".