En 2023, una planta de tratamiento de aguas residuales en Nuevo México comenzará a producir nitrógeno para fertilizantes a partir de biosólidos, utilizando termosolar.

El próximo año, un consorcio liderado por American Infrastructure Holdings LLC que incluye a Solar Dynamics y Andritz Separation construirá una instalación piloto en Albuquerque, Nuevo México, para demostrar una nueva tecnología de secado para producir fertilizante granular a partir de biosólidos que funcionará con calor solar.

Los combustibles fósiles se utilizan en los métodos actuales de fabricación de nitrógeno y fosfato para fertilizantes: se utilizan para extraer y moler roca de fosfato, o para quemar a altas temperaturas para hacer reaccionar químicamente el nitrógeno del aire como parte del proceso de fabricación de fertilizantes de nitrato de amonio.

Reemplazar el calor de combustibles fósiles en los procesos industriales es una de las próximas grandes tareas del mundo. Un tercio de las emisiones que están desestabilizando nuestro clima provienen del calor industrial de combustibles fósiles.

Beneficios ambientales

Solar Dynamics suministrará el sistema solar para proporcionar calor a la secadora. La empresa ya recibió fondos para diseñar y simular computacionalmente el proceso solar, y ahora está lista para construir un campo solar que integre su sistema de energía solar térmica con un sistema de secado alimentado por biosólidos de la planta de tratamiento de recuperación de agua de la Autoridad de Servicios de Agua del Condado de Bernalillo de Albuquerque. para producir gránulos de nitrógeno para la venta comercial como fertilizante.

“En este momento, aproximadamente el 70 % de los biosólidos en esta planta se aplican a la tierra”, explicó Ryan Shininger, ingeniero senior de Solar Dynamics. “Este proyecto piloto utiliza la mitad de lo que actualmente se aplica a la tierra. Si tiene éxito, duplicaremos nuestra planta para procesar los biosólidos restantes para que no estén aplicando biosólidos en absoluto”.

Actualmente, solo el 30 % de los biosólidos se recicla, mezclados con virutas de madera y otros materiales orgánicos para venderlos como abono a granjas locales, parques, campos de béisbol y otras áreas de paisaje, o para mejorar el suelo para remediar tierras alteradas. Obviamente, no tiene sentido que EE. UU. importe más de la mitad del nitrógeno que se usa en los fertilizantes mientras desecha biosólidos ricos en nitrógeno, fósforo y micronutrientes.

Hay valor en reciclar biosólidos como fertilizante granular en lugar de desecharlos en la tierra. Los biosólidos, que son un 80 % de agua, se transportan a veces a cientos de millas de distancia y se vierten en vertederos o se vierten en la tierra. Este proceso de eliminación cumple con los estatutos ambientales federales y de la mayoría de los estados, pero no es ambientalmente óptimo.

El problema con el vertido de biosólidos en la tierra

Si bien este no es el caso en Albuquerque, en algunos lugares, la aplicación al suelo puede provocar la escorrentía de nutrientes a las vías fluviales locales y la filtración a las aguas subterráneas. Más importante aún, la eliminación de biosólidos en el suelo genera gases de efecto invernadero: metano, CO2 y NOx.

“En muchos lugares”, señaló, “incluso si los biosólidos crudos se aplican a la tierra para cultivar, sigue siendo una estrategia de eliminación que, si se maneja de manera inadecuada, puede resultar en la adición de demasiado nitrógeno y fósforo a la vez. Las plantas usan un poco, pero el resto se desperdicia. Cuando los nutrientes terminan en las vías fluviales, pueden causar “zonas muertas” sin oxígeno donde nada puede vivir”.

También hay ventajas geopolíticas. Dadas las crisis recientes en el mercado global de estos minerales fertilizantes que son cruciales para la producción de alimentos, reciclarlos a partir de biosólidos municipales a nivel nacional reduce la dependencia de las importaciones de fuentes potencialmente inestables en el extranjero.

“Sin embargo, este es un problema anterior a la guerra de Ucrania”, señaló Shininger. “El gobierno de EE. UU. ya tiene iniciativas para tratar de aumentar la cantidad de producción nacional de fertilizantes. En este momento, más del 50 por ciento del fertilizante utilizado en los EE. UU. es importado, y la mayor parte se importa de China o Rusia. Pero, obviamente, la guerra ha ejercido una presión adicional sobre el sistema”.

Un sistema solar térmico “bolt-on”

El campo solar de colectores cilindroparabólicos y almacenamiento de energía térmica de Solar Dynamics se conectaría a un secador comercial que se ha adaptado para calentar el aire del secador con agua caliente del campo solar.

Este calor, que normalmente provendría del gas natural, sería generado por la luz solar reflejada de un campo solar de colectores cilindroparabólicos SunBeamTM de Solar Dynamics que calentarán el agua a 200°C. El rendimiento de los colectores solares será probado por la instalación piloto.

El proyecto representará la primera instalación comercial del colector Solar Dynamics SunBeam. Solar Dynamics ha recibido financiación de la Oficina de Tecnología de Energía Solar del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) para ayudar a respaldar la demostración de la tecnología solar que se desarrolló en parte con financiación del DOE.

El almacenamiento de energía térmica extenderá las operaciones de la secadora más allá de las horas diurnas, lo que permitirá una mayor utilización de la secadora y una economía general mejorada. Esta energía solar almacenada también suavizará las condiciones de nubosidad intermitente y estabilizará la temperatura que se alcanza con relativa facilidad.

El tanque disponible comercialmente utilizado en la industria del GLP tiene unos 40 metros de largo por unos 3 m de diámetro y funciona como una termoclina que utiliza deflectores internos para llevar agua caliente a la planta para calentar el secador. El agua fría se envía de vuelta al campo solar para ser recalentada. La termoclina no tiene que funcionar perfectamente para que el sistema funcione. Cierta cantidad de mezcla no es un problema en este caso debido a la flexibilidad del secador de biosólidos. Es muy diferente a una central eléctrica.

Aunque la instalación es un piloto a escala reducida, está estructurada para operar comercialmente durante al menos 20 años. El proyecto requerirá inversión de capital para financiar la construcción del sistema de mezcla de fertilizantes y secadora. La inversión privada se pagará con una combinación de tarifas de vertido de biosólidos y ventas de fertilizantes.

“Solar Dynamics no tiene mucha participación en ese lado”, dijo Shininger. “Nuestro socio, American Infrastructure Holdings, es responsable de aumentar el capital y contratar las ventas de fertilizantes. Las ventas de fertilizantes son un poco más desafiantes porque el mercado de fertilizantes se basa principalmente en precios al contado. Por lo tanto, no es lo mismo que obtener un contrato de electricidad de 25 años para CSP en el que sabe exactamente cuánto le pagarán durante ese tiempo”.

Ventaja de ser el primero en moverse para una tecnología termosolar

Solo alrededor del 2% de todos los biosólidos generados en los EE. UU. se utilizan como algún tipo de fertilizante. El mercado apenas comienza y este proyecto de Albuquerque es el primero en el país en integrar la energía solar térmica con el secado de biosólidos para fabricar un fertilizante comercial. «Vemos numerosas oportunidades en todo el país y en todo el mundo para aplicar este proceso», dijo Shininger, «así que esperamos probarlo en nuestro programa piloto y adopción rápida en los EE. UU.».

Cuando se pruebe, este proceso solar podría convertirse en la tecnología predeterminada para la fabricación de fertilizantes con cero emisiones. Los fertilizantes a base de biosólidos ayudarán a estabilizar los precios inflados recientemente del nitrógeno y los mantendrán estables en el futuro. Además, el aumento de los suministros nacionales de fertilizantes respalda un equilibrio comercial saludable y ayuda a garantizar la seguridad alimentaria.

«Francamente, es difícil ver por qué no hemos hecho esto ya, dados los claros beneficios económicos, ambientales y sociales de la producción de fertilizantes a base de biosólidos con energía solar», dijo Shininger, «y una gran cantidad de reducción potencial de carbono está en juego». el éxito de este piloto”.