RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU): LA GRAN HIDROGENERA

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Páginas 38-43

RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU): “LA GRAN HIDROGENERA”

Dr. Luis Alberto Fernández Güelfo

Universidad de Cádiz. Departamento de Tecnologías del Medio Ambiente. Facultad de Ciencias del Mar y Ambientales.

Campus Universitario de Puerto Real. Polígono Río San Pedro s/n. 11510-Puerto Real (Cádiz) E-mail: [email protected]

Palabras clave: Biogás; Energía renovable; Fermentación oscura; Hidrógeno; RSU.

INTRODUCCIÓN

Una crisis energética es una gran carestía (o una subida de precio) en el suministro de fuentes energéticas a una economía. Normalmente hace referencia a una disminución de la disponibilidad de petróleo, electricidad u otros recursos naturales. La crisis a menudo repercute en el resto de la economía, provocando una recesión en alguna forma. En particular, los costes de producción de electricidad crecen, lo que eleva los costes de las manufacturas. Para el consumidor, el precio de la gasolina (petróleo) para automoción aumenta, lo que lleva al consumidor a una reducción de sus gastos y a una menor confianza.

Algunos expertos sostienen que el mundo se encamina hacia una crisis de energía global debido al declive en la disponibilidad de petróleo barato y recomiendan disminuir la dependencia del combustible fósil. Esto ha hecho incrementar el interés en la investigación de combustibles y energías alternativas tales como la tecnología de la célula de combustible, del hidrógeno, del Metanol, del biocombustible, de la energía solar, de la energía de las mareas y de la energía eólica.

Hasta ahora, únicamente la energía hidroeléctrica, la eólica y la energía nuclear han sido alternativas significativas al combustible fósil. Con referencia al hidrógeno, considerado el vector energético del futuro, su generación clásica a partir del gas natural requiere del consumo de una gran cantidad de energía. A este respecto, cabe destacarse que recientemente la comunidad científica está investigando con intensidad en la generación de hidrógeno a partir de la degradación biológica (a través de microorganismos) de residuos orgánicos, como puede ser la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU).

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Este proceso, conocido mundialmente como Fermentación Oscura (Dark Fermentation), puede generar más energía de la que consume y consiste básicamente en que un conjunto de microorganismos anaerobios, capaces de vivir en ausencia de oxígeno, rompen las macromoléculas orgánicas de los residuos, mediante reacciones de “Hidrólisis”, generando simultáneamente un gas (biogás) rico en hidrógeno, el cuál puede llegar a alcanzar hasta un 65% del volumen de biogás producido.

La obtención de hidrógeno por esta vía convierte directamente a este gas en un bio-combustible (fuente de energía renovable) que puede ser utilizado, por ejemplo, en pilas de combustible para automoción. Además, debe reseñarse que la combustión del hidrógeno (reacción con oxígeno) es totalmente inocua para el medio ambiente, ya que como productos de la reacción se obtiene vapor de agua.

Este proceso, además de constituir una vía sostenible de gestión para un residuo tan problemático como los RSU, dado su volumen anual de generación, permite convertir a estos residuos en un recurso energético alternativo al petróleo.

En este sentido, cabe citarse que ha habido predicciones alarmantes de grupos tales como el “Club de Roma” de que el mundo agotaría el petróleo durante el siglo XX. A pesar de que la tecnología ha facilitado la mejor eficiencia en la extracción, el mundo tiene un conflicto para proveerse de petróleo al verse obligado a utilizar métodos más costosos y menos productivos como la perforación de las profundidades marinas, y la explotación de áreas sensibles medioambientales tales como la American National Wildlife Reserve (Reserva nacional americana de vida salvaje).

La población mundial sigue creciendo a razón de un cuarto de millón por día, lo que incrementa el consumo de energía. El consumo de energía per cápita de China, India y otros países en desarrollo sigue incrementándose a medida que las personas que viven en estos países adoptan los estilos de vida occidentales. Actualmente, una pequeña parte de la población mundial consume una gran parte de los recursos, en el caso de Estados Unidos con una población de 296 millones de personas, consume más petróleo que China con 1.300 millones. Los mecanismos de eficiencia (“energía de los negavatios”, expresión utilizada para describir los incrementos de eficiencia en lugar del incremento de la capacidad de generación de las plantas de energía) pueden proporcionar un plus de energía significativo, pero inevitablemente el petróleo terminará agotándose durante el siglo XXI. Este hecho, obliga a la Humanidad a buscar otras fuentes de energía. Está demostrado científicamente que es posible obtener “energía limpia” a partir del hidrógeno generado durante la Fermentación Oscura de los RSU, lo cual constituye una oportunidad para que la sociedad gestione este problemático residuo y cuide, a la vez, la calidad ambiental del entorno que nos rodea.

OBJETIVOS DEL ESTUDIO

El objetivo de la presente actividad es dimensionar la cantidad anual de hidrógeno que sería posible obtener a partir de la generación de RSU a nivel mundial. Para ello, se propone una actividad dinámica e ilustrativa, a desarrollar y resolver en grupos, para que el alumno visualice de una forma muy didáctica la oportunidad energética que constituye para la Humanidad estos residuos.

La actividad consiste en calcular la masa total de RSU que se genera anualmente en el mundo para posteriormente estimar, a partir de resultados experimentales recopilados de bibliografía

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estimaciones de cuántos vehículos podrían ser abastecidos sin necesidad de recurrir a combustibles derivados del petróleo.

El alumno, con los datos facilitados, podrá calcular que es posible abastecer anualmente, con hidrógeno generado a partir de los RSU, un parque de vehículos de aproximadamente 9,575.000 unidades. Si esta flota de coches se pusiese en fila, tendría una distancia de más de 3 veces el diámetro de La Tierra.

Además, teniendo en cuenta la tendencia demográfica creciente del planeta y el incremento incesante de generación de RSU per capita, el alumno podrá interpretar los resultados obtenidos y sacar conclusiones sobre la problemática ambiental de estos residuos, a medio-largo plazo, así como sobre la oportunidad que nos ofrece la valorización energética de los mismos vía Fermentación Oscura, con lo que sería posible mitigar los problemas energéticos derivados de la escasez creciente de combustibles fósiles.

En resumen, con la presente actividad se pretende potenciar el espíritu crítico del alumno y la sensibilización de los mismos sobre la problemática ambiental que constituyen los RSU y la oportunidad energética que nos brindan. Asimismo, se pretende abrir el debate entre el alumnado sobre los verdaderos intereses que primar en la actualidad: medioambiente versus intereses económicos derivados de la venta de combustibles derivados del petroleo.

METODOLOGÍA

Al alumno se le facilitan los siguientes datos de partida.

 En Julio de 2012, la población de la Tierra era de 7.021.836.029 habitantes (Indexmundi, 2013).

 Generación media de RSU por habitante: 1,447 kg/día (II PNIR, 2008-2015).  Cantidad de residuos orgánicos (FORSU) en los RSU: 44% (II PNIR, 2008-2015).  Porcentaje de sólidos volátiles (SV, fracción del residuo orgánico biodegradable por los

microorganismos durante la Fermentación Oscura): 22% (Romero et al., 2013).

 Rendimiento del proceso de Fermentación Oscura a 1 atm de presión y 298K de temperatura: 52 L/kgSV (Zahedi et al., 2013).

 Distancia promedio recorrida por un vehículo por kg de hidrógeno consumido: 94 km/kgH2 (Motorpasionfuturo 2013).

 Distancia promedio recorrida por un usuario particular: 15.000 km/año. Procedimiento de cálculo:

1. Calcular la masa total de RSU generados por la humanidad en un año:

(

)

365 1, 447

* 7.021.839.029

*

3.708.619.392.361,5

· kg

kg

días

kg

RSU

hab

año

hab día

año

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

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=

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⎜

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⎝

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⎝

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⎝

⎠

⎝

⎠

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3.708.619.392.361,5

*0, 44 1.631.792.532.639

kg

FORSU

año

⎛

⎞

⎛

⎞

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=

⎜

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⎜

⎟

⎜

⎟

⎝

⎠

⎝

⎠

⎝

⎠

3. Calcular la masa total de sólidos volátiles (SV), biodegradables por los microorganismos durante la Fermentación Oscura, contenida en la FORSU:

1.631.792.532.480

*0.22 358.994.357.181

kg

SV

año

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

=

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎝

⎠

⎝

⎠

⎝

⎠

4. Calcular el volumen de hidrógeno que es posible obtener anualmente a partir de los SV contenidos en la FORSU: 3

_{_}

₁

3

358.994.357.146 *52

*

_

1000

m

kg SV

L

m

Hidrógeno

año

kg SV

L

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

=

⇒

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎝

⎠

⎝

⎠

⎝

⎠

3 3

⎝

⎠

18.667.706.573 m

m

Hidrógeno

año

⎛

⎞

⎛

⎞

⇒

_⎜

_⎟

=

_⎜

_⎟

⎝

⎠

⎝

⎠

5. Calcular la masa de hidrógeno, en kg, a partir de la ley de los gases ideales (PV=nRT):

(

)

( )

3 3

1000

1 *18.667.706.573

*

*2

*

1 1000

1.527.885.626 *

0,082

*298

*

m

L

g

kg

atm

año

m

mol

g

kg

Hidrógeno

atm L

año

_K

año

mol K

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

⎜

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⎜

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⎜

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⎜

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⎝

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⎝

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⎛

⎞

₌

⎝

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⎝

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₌

⎛

⎞

⎜

⎟

_⎛

_⎞

⎜

⎟

⎝

⎠

⎝

⎠

⎜

⎟

⎝

⎠

6. Calcular el número de kilómetros que es posible recorrer con la masa anual de hidrógeno generada a partir de los RSU:

2 2

_

Distancia

1.527.885.626 *94

143.621.248.805 _

kg H

km

año

kg H

año

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

₌

⎛

⎞

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎝

⎠

⎝

⎠

⎝

⎠

⎝

⎠

7. Calcular el número de vehículos particulares que podrían abastecerse anualmente con hidrógeno procedente de los RSU:

143.621.248.805 Capacidad abastecimiento

9.574.750

15.000 km

vehículos

año

vehículos

km

año

vehículo

⎛

⎞

⎜

⎟

⎛

⎞

₌

⎝

⎠

₌

⎛

⎞

⎜

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⎜

⎟

⎛

⎞

⎝

⎠

⎝

⎠

⎜

⎟

⎝

⎠

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DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Como conclusión de los resultados, debe hacerse hincapié en que, anualmente, la Humanidad genera un volumen de RSU suficiente para abastecer con hidrógeno una flota de 9.575.000 vehículos aproximadamente. Esto implica, por un lado, una vía de gestión y valorización de estos residuos y, por otro lado, constituye una alternativa energética sostenible a los contaminantes combustibles fósiles.

A su vez, debe reseñarse que esta capacidad de generación de hidrógeno se está incrementando cada vez más si se tiene en cuenta el aumento incesante de la población a nivel mundial y que la generación de RSU per capita está igualmente en ascenso (en los últimos diez años se ha incrementado a razón de un 1% al año aproximadamente).

A modo de ejemplo, las proyecciones demográficas (estimaciones poblacionales) que se realizan tomando como referencia los datos publicados por la Organización de las Naciones Unidas (ONU), prevén que la población mundial rebasará los 9.000 millones de habitantes en torno al año 2.050 y superará los 11.000 millones en el año 2.100 (ver siguiente figura).

Si rehiciéramos los cálculos del Apartado 3 de “Metodología” con este nuevo dato de población para el año 2.050, 9.000 millones de habitantes, y consideráramos que la generación de RSU per capita para entonces fuera de 1,982 kg/día aproximadamente, resultante de multiplicar 1,447 kg/día · 1,37 (quedan 37 años para 2.050), la distancia equivalente de la flota de vehículos resultante, de 16,809.477 unidades, sería de más de 5 veces el diámetro de La Tierra.

Vista la magnitud creciente del problema de los RSU y dada la oportunidad energética que nos brindan mediante el proceso de Fermentación Oscura, a través del cual es posible obtener un bio-combustible (Hidrógeno) inocuo para el medio ambiente, resulta esencial fomentar la valorización energética de los RSU a fin de disminuir su impacto y paliar, en la medida de lo posible, la crisis energética venidera derivada del agotamiento de los combustibles fósiles. La gran pregunta es ¿por qué no se está haciendo?

AGRADECIMIENTOS

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Esta actividad, desarrollada en la Universidad de Cádiz en el marco de la iniciativa “Café con Ciencia”, ha sido impulsada por la Fundación Andaluza para la Divulgación de la Innovación y el Conocimiento (Fundación DESQBRE) en colaboración con las principales entidades divulgativas de Andalucía, dentro las actividades de la Semana de la Ciencia, y cuenta con la financiación de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT).

BIBLIOGRAFÍA

 Indexmundi (2013). Fecha de consulta 10/07/2013. Dirección URL:

http://www.indexmundi.com/es/mundo/poblacion_perfil.html

 II Plan Nacional Integral de Residuos (2008-2015). BOE, Núm. 49, Jueves 26 de febrero de 2009, Sec. I. Pág. 19893. Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino.

 Crisis energética (economía). Fecha de consulta 10/07/2013. Dirección URL:

http://es.wikipedia.org/wiki/Crisis_energ%C3%A9tica_(econom%C3%ADa)

 Motorpasionfuturo (2013). Fecha de consulta 10/07/2013. Dirección URL:

http://www.motorpasionfuturo.com/coches-hidrogeno/ha-avanzado-algo-el-hidrogeno-en-estos-anos

 Romero Aguilar, M.A.; Fdez-Güelfo, L.A.; Álvarez-Gallego, C.J.; Romero, L.I. Effect of HRTon hydrogen production and organic matter solubilization in acidogenic anaerobic digestion of OFMSW. Chemical Engineering Journal. 219 (2013), 443-449.

 Zahedi, S.; Sales, D.; Romero, L. I.; Solera, R. Hydrogen production from the organic

fraction of municipal solid waste in anaerobic thermophilic acidogenesis: Influence of organic loading rate and microbial content of the solid waste. Chemical Engineering Journal. 129 (2013), 85-91.