La generación de residuos en diferentes sectores se está convirtiendo en un problema con graves consecuencias a nivel medioambiental y también desde el punto de vista económico relacionado con los costes derivados de su gestión. En este contexto, el proyecto CIRCULAR CARBON tiene como objetivo el desarrollo y puesta en marcha de una planta piloto para el aprovechamiento de residuos valencianos, su transformación en carbones activados de alto valor añadido para aplicaciones en el sector de la energía, y medioambiente. En el proyecto, que cuenta con el apoyo del Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) de la Generalitat Valenciana, participan el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), como coordinador y líder del proyecto, junto con el Instituto Tecnológico de la Cerámica (ITC). Representa una solución integrada en la apuesta por la economía circular de la Comunidad Valenciana.
Contexto
La transformación energética en búsqueda de una mejor y más eficiente producción de energía junto con las iniciativas impulsadas por las instituciones, alineadas con la economía circular, está marcando el camino hacia el aprovechamiento de residuos generados en determinados sectores, como fuentes de energía o como materias primas para la transformación en otros productos de alto valor añadido.
La generación de residuos en diferentes sectores de actividad ocasiona consecuencias tanto a nivel medioambiental, debido a la contaminación con gases de efecto invernadero derivados generalmente de su quema, pero también a nivel económico, repercutiendo unos costes adicionales para las empresas que los generan fruto de su actividad, ya que requiere de una gestión que en ocasiones es además de difícil y compleja, costosa a nivel económico.
Es por ello que cobra especial importancia la exploración de vías alternativas que permitan la transformación de estos residuos en productos de valor añadido para aplicaciones en otros sectores como son el de la energía. La transformación termoquímica de residuos agrícolas como pueden ser los restos de poda, los huesos de aceituna, la cáscara de almendras o residuos de tipo forestal como el serrín o la astilla, para la obtención de productos de valor añadido resulta ser una práctica cada vez más extendida. Sin embargo, estos procesos requieren de un gran control y conocimiento de todas y cada una de las variables que tienen lugar en las diferentes etapas, desde el origen y las propiedades de los residuos a tratar, las condiciones a las que se realiza la transformación, así como las características del carbón obtenido para ajustar todas y cada una de estas etapas en función de la aplicación a la que se va a destinar el producto obtenido.
El proceso y la propuesta de valor
En este contexto, el proyecto CIRCULAR CARBON nace con el objetivo de desarrollar y validar una planta piloto para la transformación de residuos en carbones con alto valor añadido para su empleo en la fabricación de electrodos para baterías de ion litio, en un demostrador también desarrollado e implementado en el marco del proyecto. Para ello, el proyecto plantea la validación de esta planta piloto empleando residuos del sector forestal como es la astilla de pino de proximidad.
En el proyecto se ha validado también el empleo de estos carbones activados procedentes de la transformación de residuos para la depuración de aguas residuales y para la purificación de gases procedentes de las emisiones de la industria de la cerámica. Estos dos demostradores han sido validados por el ITC.
La planta piloto de transformación termoquímica desarrollada por el ITE ha sido diseñada para poder controlar todas y cada una de las etapas del proceso y en el marco de la economía circular y aprovechamiento de residuos, esta planta permite además la separación de los tres productos obtenidos en esta transformación como son el bio-carbón, el bio-aceite y el bio-gas, todos ellos con un alto valor añadido. El bio-carbón es el principal producto en el que se centra el proyecto para su aplicación en el desarrollo de electrodos para baterías de ion litio. El bio-aceite tiene potencial interés como biocombustible y el bio-gas además de biocombustible, es empleado como gas de síntesis, por su contenido en hidrógeno, para síntesis de compuestos orgánicos como el metanol de gran interés a nivel industrial. El gas de síntesis empleado actualmente en la industria es de origen fósil, por tanto, de esta manera, el aprovechamiento de un residuo da lugar a un subproducto como en el bio-gas, de interés en el sector de la química fina, que cierra el ciclo de la economía circular.
La propuesta de valor de esta iniciativa está basada en la importancia del control de los parámetros que tienen lugar en cada una de las etapas de la cadena de valor, desde la recepción y clasificación de residuo hasta la aplicación final. La primera etapa del proceso consiste en el acondicionamiento del residuo en términos de tamaño de partícula y pre-secado para eliminación de la humedad. La posterior caracterización del residuo resulta ser una de las etapas fundamentales del proceso ya que permite conocer la naturaleza del mismo y esto es crucial para la parametrización del proceso de transformación. Parámetros como la densidad, materia volátil, contenido en cenizas o material lignocelulósico marcan las condiciones a las que se debe llevar a cabo la transformación. Tras el proceso de transformación termoquímico es importante conocer las características del carbón obtenido para correlacionar las características del residuo de partida con los parámetros fisicoquímicos del material carbonoso obtenido y el proceso de transformación empleado. Para llevar a cabo una centralización y análisis de todos estos parámetros, el proceso cuenta con un sistema de digitalización siguiendo las tendencias de la Industria 4.0 de aportar una alta conectividad entre procesos y analítica de datos integral, que permite el estudio de todos los consumos energéticos, cálculo de indicadores, así como la generación de una base de datos productiva con las diferentes calidades de los carbones. Esta base de datos productiva permite correlacionar los tipos de carbones obtenidos en función de las características del residuo y el proceso de transformación empleado, permitiendo ser más eficientes a la hora de tomar decisiones, realizar una predicción acerca de la aplicación para la que puede emplearse dicho residuo y agilizar la toma de decisiones.
Además, se ha diseñado e implementado una línea de ensamblaje, fabricación e integración de electrodos de celdas de baterías de futura generación para que, a partir del carbón sostenible obtenido, se fabriquen electrodos de baterías de nueva generación mediante técnicas de impresión.
Por otro lado, el proceso consume energía eléctrica, siendo por ello más fácil y seguro de operar y aportando el valor añadido de poder ser alimentado por fuentes de origen renovable, aspecto que será evaluado por el Instituto Tecnológico de la Energía junto a la optimización energética del propio proceso. Cabe recordar que el ITE trabaja en líneas estratégicas de referencia como la sostenibilidad, la movilidad sostenible, el almacenamiento energético, las redes del futuro y, por supuesto, la economía circular.
El Sistema Digital de Análisis energético como herramienta clave de análisis de consumo del proceso
En cuanto al concepto de análisis energético, la medida, control y optimización de la energía se integra como pilar fundamental a lo largo de toda la cadena de valor productiva, estando con ello íntimamente ligada al impacto medioambiental y la circularidad del piloto CircularCarbon. Ejemplo de ello es el análisis que se realiza desde su inclusión al sistema (generación limpia y sostenible) hasta la generación de sistemas de almacenamiento (proceso de fabricación de celdas para baterías), cerrando así el ciclo sostenible que se pretende reproducir en el piloto.
Para ello, el Sistema Digital puesto en marcha en el proyecto va más allá de monitorizar la energía que se consume en el proceso, realizando una integración de datos tanto energéticos como productivos de diferente índole, convenientemente pretratados y centralizados a través de un sistema IoT industrial, y para los que se da un valor añadido diferenciador a través de un SCADA a medida que permite calcular indicadores de consumo energético bajo parámetros productivos, detectar tendencias y posibilidades de optimización de la operativa, calcular el consumo relativo entre etapas productivas, consultar históricos de datos de manera ágil, así como otras tantas funcionalidades que resultan primordiales para asegurar que la generación de carbón activo sostenible se garantiza desde el punto de vista del impacto energético de toda la cadena productiva.
El objetivo de dicho Sistema Digital es aportar una visión holística del impacto energético y medioambiental del proceso, y llegando a una serie de conclusiones basadas en datos empíricos procedentes de entornos relevantes de trabajo, mediante la recogida, tratamiento y análisis de datos energéticos y de proceso alineado con el concepto de la Industria 4.0 y la Industria Conectada 4.0, cuyo principal objetivo es la interconexión de los distintos subsistemas de los que se compone el demostrador para un análisis integral de la eficiencia energética a distintos niveles y en relación con parámetros y variables productivas relevantes dentro del proyecto. En este sentido, el demostrador CIRCULARCARBON pretende ser un referente para las empresas de la Comunitat Valenciana en el área de transición energética y economía circular.
Impacto de los resultados
Los resultados objetivo del proyecto tienen un gran potencial en cuanto a escalabilidad y replicabilidad, tanto por la propuesta innovadora de la tecnología, como por sus posibilidades de aplicación, pudiendo enfocarse a la transformación de multitud de tipos de residuos desde el sector agrícola, forestal, residuos de depuradoras de aguas como los lodos o residuos plásticos. Los resultados de este proyecto tendrán impacto directo en la mejora de la competitividad del tejido empresarial valenciano.
En este sentido, los resultados de CIRCULAR CARBON adquieren una gran relevancia por su propuesta de puesta en marcha de un proceso innovador a nivel preindustrial alineado con la descarbonización energética y con el objetivo de favorecer los procesos de transformación de residuos y maximizando la optimización y circularidad del proceso apoyado en energías renovables. En consecuencia, la propuesta del proyecto se encuentra totalmente alineada con distintos planes, estrategias y políticas de relevancia nacionales e internacionales en materia de economía circular, como la estrategia regional RIS3CV, los retos del Comité Estratégico de Innovación (CEI) o, en el ámbito medioambiental y social, varios de los Objetivos para el Desarrollo Sostenible (ODS) que marcan las Naciones Unidas.
El proyecto CircularCarbon (IMIDEC/2019/10), llevado a cabo por el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE) y el Instituto de Tecnología Cerámica (ITC), se realiza con la financiación de IVACE y los Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER).
Publicado en FUTURENVIRO