Evaluación ambiental de la gestión de los residuos municipales a través del análisis de la huella de carbono : aplicación a la ciudad de Madrid

Resumen

La presente tesis doctoral se ha desarrollado en el marco del Proyecto de Investigación, Desarrollo e Innovación “Optimización de la gestión de residuos municipales (número de referencia CTQ2013- 48280-C3-2-R)” dentro del proyecto coordinado “Integración sostenible de procesos de captura y valorización de dióxido de carbono”, perteneciente a la convocatoria 2013 de proyectos del Programa Estatal de I+D+i orientada a retos de la sociedad, en el marco del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2013-2016 del Ministerio de Economía y Competitividad. Dentro de este proyecto, la tesis doctoral se enmarca dentro de la línea de investigación “Evaluación de los sistemas de recogida y transporte de residuos municipales”. Esta evaluación ambiental se realiza a través del análisis de la huella de carbono y empleando para ello la metodología de análisis de ciclo de vida. El objetivo de la investigación es desarrollar metodologías para calcular la huella de carbono de las etapas de pre-recogida (sistemas de contenerización/buzones), recogida y transporte de las principales fracciones de residuos municipales, y aplicarlas a un entorno geográfico concreto: la ciudad de Madrid como ejemplo característico de un núcleo urbano europeo. Determinado el impacto sobre el cambio climático de las fases de la gestión de los residuos municipales evaluadas, también se plantea comparar su contribución frente a la etapa final de la gestión: el tratamiento. Para ello, se hace necesario desarrollar una metodología de cálculo de la huella de carbono de esta etapa y aplicarla al mismo entorno geográfico. En el caso de la ciudad de Madrid, la huella de carbono de la etapa de pre-recogida asciende a 3,59 kg CO2 eq/tresiduo y 25,1 para la etapa de recogida y transporte. En su conjunto, ambas etapas contribuyen al 11,3% del impacto total sobre el cambio climático provocado por la gestión de las cuatro principales fracciones de residuos municipales (resto, incluida materia orgánica, envases, vidrio y papel/cartón) en Madrid (253,02 kg CO2 eq/tresiduo). Si bien la contribución de la etapa de pre-recogida es únicamente del 1,4%, un mal diseño de la misma no sólo puede incrementar su impacto ambiental, sino que condiciona el impacto de las otras dos etapas posteriores; recogida y transporte, y tratamiento. Su impacto depende de la tipología de contenedor empleado y de la dotación (capacidad de contenerización por habitante). En cuanto al primero de los parámetros, el impacto ambiental asociado al ciclo de vida de un contenedor, expresado por unidad de capacidad y año, depende de su relación masa/volumen, del tipo de materiales que lo componen y su masa, y de su vida útil. En cuanto a la dotación, la minimización del impacto va ligada al diseño óptimo del sistema de contenerización, que es aquel que busca una correcta dotación que maximice la efectividad del sistema de recogida (masa de residuo recogido por unidad de capacidad de contenerización). Al ser la dotación el producto del número de contenedores por su capacidad, su valor puede elevarse incrementando el número de contenedores o su capacidad. Para una misma dotación, y a igualdad de tipología de contenedor, reducir el número de contenedores e incrementar la capacidad, disminuye la huella de carbono. En relación a la huella de carbono de la etapa de recogida y transporte, un 92,1% del impacto corresponde al ciclo de vida del combustible y el 7,9% restante al ciclo de vida del vehículo. Dentro del ciclo de vida del combustible, el 85,6% se debe a la sub-etapa del tanque a la rueda y el 14,4% a la sub-etapa del pozo al tanque. En lo relativo al ciclo de vida del vehículo, el 66,4% se debe a los sub-procesos de extracción de materias primas, fabricación de materiales y transporte de los mismos hasta las instalaciones de fabricación y montaje de los vehículos. El cálculo de la huella de carbono de la etapa de tratamiento tiene en cuenta tanto las emisiones directas e indirectas como las evitadas a consecuencia de la recuperación de materiales, la generación de energía eléctrica y la generación de distintos productos sustitutivos de otros con emisiones asociadas (compost, biometano). Así, la huella de carbono de esta etapa asciende a 224,33 kg CO2 eq/tresiduo, para el caso de estudio evaluado. La situación en Madrid se compara con una serie de escenarios alternativos dentro de cada una de las etapas de gestión. Así, en la pre-recogida se lleva a cabo una comparación de los sistemas de contenerización convencional en superficie con sistemas soterrados. En la etapa de transporte se consideran vehículos que consumen distintas tipologías de fuentes energéticas y sistemas neumáticos, y en la de tratamiento con distintas combinaciones de las alternativas posibles. Los contenedores soterrados presentan una mayor huella de carbono que los contenedores convencionales ubicados en superficie: un 185% por encima del contenedor de carga trasera de 800 litros (67,21 frente a 23,53 g CO2 eq/litro·año). Por tanto, desde el punto de vista del impacto en cambio climático, la sustitución de contenerización en superficie por contenerización soterrada no se ve justificada, más allá de la hipotética reducción del impacto visual y disminución de olores. Respecto a la comparación con otros escenarios convencionales de recogida y transporte, en los que se plantean vehículos que consumen otras fuentes energéticas distintas al gas natural (situación actual en la ciudad de Madrid), se concluye que la penetración del mismo desplazando al diésel (situación que acontecía en el pasado en la ciudad de Madrid, y en la actualidad en otras muchas ciudades españolas), ha supuesto una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero en todo el ciclo de vida igual al 15,6%. Si en un futuro, se diese la sustitución del gas natural por biogás obtenido de los procesos de biometanización de residuos municipales y posteriormente purificado y concentrado (biometano), la huella de carbono se reduciría un 92%. La comparación entre los sistemas convencionales de pre-recogida, recogida y transporte con sistemas neumáticos permite concluir que éste segundo presenta una huella de carbono un 121% por encima de la situación de menor impacto, aquélla que emplea contenedores de carga lateral ubicados en área de aportación para las cuatro fracciones de residuos consideradas (68,29 frente a 30,8 kg CO2 eq/tresiduo). La fabricación de los conductos (tuberías), y todos sus subprocesos, es responsable del 63% del impacto, mientras que el consumo de energía eléctrica supone el 25,6%. Entre los escenarios convencionales de pre-recogida más recogida/transporte, el que presenta la mayor huella de carbono es el que emplea contenedores soterrados, 36 kg CO2 eq/tresiduo; un 17% superior al escenario de contenedores de carga lateral en área de aportación. Entre los escenarios que emplean contenedores convencionales en superficie, el escenario puerta a puerta es el que presenta el mayor impacto como consecuencia del empleo de contenedores de carga trasera de pequeña capacidad, los cuales tienen los mayores impactos por litro de contenerización puesto a disposición del ciudadano. La comparación con otros escenarios de tratamiento permite concluir que el caso de estudio evaluado presenta una huella carbono un 88% inferior a la hipotética situación en la que todos los residuos municipales de la ciudad de Madrid se depositasen en vertedero sin recuperación de biogás. La mejora en los procesos de separación y recuperación de materiales junto con la implementación de los tratamientos biológicos para tratar la fracción orgánica, ha contribuido, claramente, a la reducción de la huella de carbono en la gestión de los residuos municipales de la ciudad de Madrid. Los escenarios con una menor huella de carbono son los que combinan la recuperación de materiales reciclables presentes en las distintas fracciones, con tratamientos de valorización energética o digestión anaerobia. ----------ABSTRACT---------- This dissertation has been carried out within the framework of the Research, Development and Innovation project called "Optimization of municipal waste management (reference number CTQ2013- 48280-C3-2-R)" within the coordinated project "Sustainable integration of carbon dioxide capture and recovery processes", belonging to the 2013 call for projects of the R+D+I Program aimed at social challenges, within the framework of the National Plan for Scientific and Technical Research and Innovation 2013-2016 of the Ministry of Economy and Competitiveness. Within this project, the dissertation deals with the research line entitled "Evaluation of municipal waste collection and transport systems". This environmental analysis was carried out through the analysis of the carbon footprint and using the life cycle assessment methodology. The research objective is to develop methodologies to calculate carbon footprint of pre-collection (containerization systems), collection and transport stages of the main fractions of municipal solid waste, and apply them to a case study: the city of Madrid as a characteristic example of a European urban area. Once the impact of these phases on climate change was estimated, its contribution was compared with the final management stage: the treatment. For this purpose, it was necessary to develop a methodology to calculate the carbon footprint of this stage and apply it to the same geographical area. The carbon footprint of the pre-collection stage amounts to 3.59 kg CO2 eq/twaste; 25.1, in the case of the collection and transport stage. As a whole, both stages contribute to 11.3% of the total impact on climate change caused by the management of the four main fractions of municipal solid waste (rest, including organic material, packaging, glass and paper/cardboard) in the city of Madrid (253.02 kg CO2 eq/twaste). Although the contribution of the pre-collection stage is only 1.4%, a wrong design can not only increase its environmental impact, but also affect the impact of the other two stages: collection and transport, and treatment. Its impact depends on the type of container used and the capacity allocation (containerization capacity per inhabitant). Concerning the container type, the environmental impact associated with the life cycle of a container, expressed by unit of capacity and year, mainly depends on its weight/volume ratio, types and weights of the component materials, and its lifetime. As for the capacity allocation, the lowest impact is provided by an ideally designed containerization system, which is the one that seeks a proper capacity allocation that maximizes the effectiveness of the collection system (mass of waste collected per unit of capacity). For the same capacity allocation and type of container, reducing the number of containers and increasing capacity reduces the carbon footprint. In relation to the carbon footprint of the collection and transport stage, 92.1% of the impact corresponds to the fuel life cycle and the remaining 7.9% to the vehicle life cycle. Within the fuel life cycle, 85.6% is due to the tank-to-wheel sub-stage, and 14.4% to the well-to-tank. Concerning vehicle life cycle, 66.4% is due to the sub-processes of extracting raw materials, manufacturing materials and transporting them to the manufacturing and assembly facilities. Calculation of the carbon footprint of the treatment stage takes into account both direct and indirect emissions, and those avoided emissions as a result of the obtained products (if any) that can replace other products or the raw materials used to produce them (compost, biomethane, electricity). Thus, the carbon footprint of this stage amounts to 224.33 kg CO2 eq/twaste. The situation of the city of Madrid is compared with alternative scenarios within each of the management stages. Thus, in the pre-collection stage a comparison between conventional containerization and underground systems was carried out. In the transport stage, vehicles that consume different types of energy sources and pneumatic systems were considered, and in the treatment stage, different combinations of possible alternatives were evaluated. Underground containers have a greater carbon footprint than conventional containers located on the surface: 185% above the 800 litre rear loading container (67.21 versus 23.53 g CO2 eq/litre·year). Therefore, from the point of view of the impact on climate change, replacement of containerization on the surface by underground containerization is not justified, beyond the hypothetical reduction of visual impact and odors. Regarding the comparison with other conventional collection and transport scenarios, in which vehicles that consume other energy sources than natural gas are considered (situation of the city of Madrid), it is concluded that the penetration of natural gas by displacing diesel meant a reduction of greenhouse gas emissions throughout the life cycle equals to 15.6%. If a replacement of natural gas by biogas obtained from the biomethanisation processes of municipal solid waste, and subsequently purified and concentrated (biomethane) occurred, carbon footprint of the biogas scenario would be reduced by 92%. The comparison between conventional systems of pre-collection, collection and transport with pneumatic systems allows concluding that this second one has a carbon footprint 121% above the lower impact scenario, that which uses side loading containers located in drop-off-points for the four waste fractions considered (68.29 versus 30.8 kg CO2 eq/twaste). The manufacture of the pipes, and all their subprocesses, is responsible for 63% of the impact, while the electricity consumption represents 25.6%. Among the conventional pre-collection and collection/transport scenarios, the one with the greatest carbon footprint is the one that uses underground containers, 36 kg CO2 eq/twaste; 17% higher than the scenario of side loading containers located at drop-off-points. Among the scenarios that use conventional containers on the surface, the door-to-door scenario has the greatest impact as a consequence of the use of small-capacity rear loading containers, which have the greatest impacts per litre of containerization available to the citizen. The comparison with other treatment scenarios showed that the case study evaluated has a carbon footprint 88% lower than the hypothetical situation in which all municipal solid waste from the city of Madrid was landfilled without biogas recovery. An improvement in the processes of separation and recovery of materials together with the implementation of biological treatments to processing the organic fraction, contributed to the reduction of the carbon footprint in the management of municipal solid waste in the city of Madrid. Scenarios with a lower carbon footprint are those that combine the recovery of recyclable materials present in the different fractions, with energy recovery or anaerobic digestion treatments.