Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Evaluating Emerging Thermochemical Waste-to-Energy Pathways: Methodological Solutions for Municipal Waste Management Systems
Autor
MARTINEZ RAMON, NICOLAS
Director
DUFOUR ANDÍA, JAVIER
Codirector
IRIBARREN LORENZO, DIEGO
Fecha de depósito
26-05-2026
Periodo de exposición pública
27 de mayo a 9 de junio de 2026
Fecha de defensa
Sin especificar
Programa
Tecnologías industriales, Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los materiales
Mención internacional
Solicitada
Resumen
La presente tesis analiza la integración de tecnologías termoquímicas emergentes en sistemas de gestión de residuos sólidos urbanos, con el objetivo de desarrollar y aplicar un marco metodológico capaz de evaluar su papel desde una perspectiva ambiental y sistémica. El trabajo parte de un problema central: los sistemas actuales de gestión de residuos deben avanzar hacia modelos más circulares y con menor impacto climático, pero la evaluación de nuevas tecnologías de valorización sigue siendo difícil debido a la falta de datos industriales, la variabilidad de los residuos y la complejidad de integrar procesos emergentes en modelos de sistema.
La gestión de residuos municipales constituye uno de los principales desafíos ambientales asociados al desarrollo urbano y económico. El crecimiento demográfico, la urbanización y el aumento del consumo han incrementado tanto la cantidad como la complejidad de los residuos generados. Tradicionalmente, su gestión se ha basado en estrategias orientadas a la eliminación segura mediante vertido o incineración. Aunque estas opciones cumplen una función operativa clara, también generan impactos ambientales relevantes, como emisiones de gases de efecto invernadero, pérdida de recursos materiales y riesgos de contaminación del suelo y de las aguas.
En respuesta a estas limitaciones, durante las últimas décadas se ha producido una transición progresiva hacia enfoques integrados basados en los principios de la economía circular. Este paradigma plantea reducir la generación de residuos, prolongar la vida útil de los materiales y valorizar aquellos flujos que no pueden ser reutilizados o reciclados de forma directa. En este contexto, los residuos dejan de interpretarse únicamente como un problema de tratamiento y pasan a considerarse una posible fuente de recursos energéticos y materiales.
La Unión Europea ha tenido un papel importante en esta transición mediante un marco regulatorio orientado a promover la prevención, el reciclaje y la recuperación de residuos. Instrumentos como la Directiva Marco de Residuos y los Planes de Acción de Economía Circular han establecido objetivos cada vez más exigentes para reducir el vertido, aumentar la fracción reciclada y mejorar la eficiencia en el uso de recursos. Sin embargo, muchos sistemas de gestión siguen enfrentando limitaciones estructurales. Entre ellas destacan la heterogeneidad de los residuos municipales, las restricciones tecnológicas, la dificultad de separar adecuadamente las diferentes fracciones y las complejidades logísticas asociadas a su tratamiento.
En este escenario, las tecnologías avanzadas de valorización de residuos han adquirido un interés creciente. Estas tecnologías buscan complementar las estrategias convencionales de reciclaje mediante la conversión de fracciones residuales no reciclables en productos energéticos o químicos de mayor valor añadido. Dentro de este grupo, los procesos termoquímicos resultan especialmente relevantes por su capacidad para transformar residuos sólidos heterogéneos en gas de síntesis, combustibles líquidos, productos carbonosos o intermedios químicos.
La tesis se centra principalmente en tres tecnologías termoquímicas: gasificación, pirólisis y reformado seco de biogás. Aunque comparten el principio general de conversión térmica, cada una presenta características operativas, productos y niveles de madurez diferentes. A pesar de su potencial, la implementación de estas tecnologías en sistemas reales de gestión de residuos plantea problemas técnicos y metodológicos. Desde el punto de vista técnico, la variabilidad en la composición de los residuos, la necesidad de sistemas eficientes de limpieza de gas y la integración de los productos en infraestructuras existentes limitan su despliegue. Desde el punto de vista metodológico, el problema principal es cómo representar adecuadamente tecnologías complejas y poco maduras dentro de modelos de sistema capaces de evaluar diferentes escenarios de gestión.
La tesis sostiene que no basta con analizar estas tecnologías de forma aislada. Los sistemas de gestión de residuos son redes complejas en las que interactúan procesos de recogida, clasificación, tratamiento, recuperación y eliminación. Una decisión tecnológica adoptada en una etapa puede modificar los flujos de materiales, las necesidades energéticas, los productos generados y los impactos ambientales en otras partes del sistema. Por ello, resulta necesario trabajar con enfoques de evaluación integrada que conecten el nivel de proceso con el nivel de sistema.
El análisis de ciclo de vida constituye una herramienta central para evaluar el desempeño ambiental de estos sistemas. En el caso de la gestión de residuos, permite considerar las etapas de recogida, tratamiento, recuperación energética o material, disposición final y sustitución de productos convencionales. Esta última cuestión es especialmente importante, ya que muchos beneficios ambientales de las tecnologías de valorización dependen de los productos que logran sustituir en el mercado. Sin embargo, el ACV requiere inventarios de ciclo de vida consistentes, y estos datos no suelen estar disponibles para tecnologías emergentes.
Para construir estos inventarios, la tesis emplea simulación de procesos. Los modelos desarrollados en Aspen Plus permiten estimar balances de masa y energía para las tecnologías estudiadas, incorporando información de la literatura científica y datos experimentales disponibles. La simulación permite representar etapas como reacciones químicas, separación de fases y recuperación energética, garantizando coherencia en los balances. También permite analizar el efecto de variables operativas, como temperatura, composición del residuo o condiciones de reacción. Esto resulta especialmente relevante en tecnologías de bajo nivel de madurez tecnológica, donde no existen datos industriales suficientes.
Sin embargo, los modelos detallados de simulación tienen una elevada carga computacional. Esto dificulta su integración directa en modelos de gestión de residuos que requieren múltiples simulaciones bajo diferentes escenarios. Para resolver esta limitación, la tesis recurre a modelos sustitutos basados en aprendizaje automático. Estos modelos se entrenan con datos generados mediante simulación de procesos y permiten aproximar el comportamiento de las tecnologías mediante relaciones funcionales entre variables de entrada y salida. Su principal ventaja es que reducen el coste computacional manteniendo la sensibilidad frente a variables clave, como la composición del residuo o las condiciones de operación.
La combinación de estas herramientas da lugar a un marco metodológico jerárquico. Primero, la simulación de procesos genera inventarios detallados de tecnologías emergentes. Después, esos resultados sirven para entrenar modelos sustitutos que capturan el comportamiento esencial de los procesos. Finalmente, los modelos sustitutos se integran en un modelo de sistema basado en análisis de flujos materiales. Sobre esta estructura se aplica el análisis de ciclo de vida para comparar configuraciones tecnológicas y escenarios de gestión.
La tesis se organiza en torno a cuatro preguntas de investigación. La primera analiza cómo pueden modelarse inventarios de ciclo de vida dentro de sistemas integrados de gestión de residuos preservando sus comportamientos de respuesta. La segunda estudia el potencial de la simulación de procesos para apoyar la evaluación ambiental de tecnologías emergentes. La tercera evalúa las implicaciones ambientales de integrar tecnologías termoquímicas avanzadas en sistemas modernos de gestión de residuos. La cuarta examina las consecuencias ambientales de adaptar estos sistemas para producir productos específicos, como combustibles sintéticos de aviación.
El primer bloque de resultados se centra en la integración de aprendizaje automático en ACV y modelado de procesos. A partir de una revisión bibliométrica y de contenido de 487 artículos publicados entre 2013 y 2023, se observa un crecimiento marcado del campo desde 2019. La revisión identifica una concentración de aplicaciones en bioenergía y en análisis relacionados con propiedades de materiales. A partir del análisis de casos representativos, se proponen tres marcos de integración entre aprendizaje automático y ACV. El primero consiste en utilizar modelos sustitutos para reemplazar simulaciones completas. El segundo emplea modelos de aprendizaje automático para sustituir submódulos concretos dentro de simulaciones más amplias. El tercero predice directamente inventarios o indicadores ambientales a partir de descriptores del sistema.
El segundo bloque de resultados aborda el reformado seco de biogás con looping químico para la producción de hidrógeno. En este caso, se desarrolla un modelo en Aspen Plus de un sistema basado en una perovskita como material catalítico u oxígeno portador. La simulación genera balances de masa y energía que se utilizan para construir el inventario de ciclo de vida del sistema. El análisis ambiental muestra que el principal factor determinante no es únicamente el reactor, sino la cadena de suministro del biogás. En particular, las fugas de metano asociadas a la digestión anaerobia condicionan de forma crítica la huella de carbono del hidrógeno producido.
Un resultado central del tercer bloque es que la capacidad instalada actúa como condición crítica. Incluso con un despliegue sin restricciones de gasificación y pirólisis, la tasa de vertido permanece por encima del objetivo europeo del 10 %. Esto muestra que las tecnologías emergentes pueden mejorar el desempeño ambiental cuando sustituyen productos de mercado, pero su contribución a los objetivos de reducción del vertido depende de la escala de despliegue y de la estructura previa del sistema. Factores como la separación en origen y la eficiencia de las tecnologías de clasificación aguas arriba condicionan de forma directa los resultados.
El cuarto bloque analiza un rediseño orientado a producto. En este caso, el sistema de gestión de residuos se adapta para producir combustible de aviación mediante gasificación y síntesis Fischer-Tropsch. El gas de síntesis generado en la gasificación se somete a acondicionamiento, ajuste de la relación H₂/CO, eliminación de impurezas y separación de CO₂ mediante Rectisol, antes de convertirse catalíticamente en hidrocarburos líquidos y refinarse hacia fracciones tipo queroseno. El análisis compara esta ruta con configuraciones orientadas a la generación eléctrica y considera escenarios futuros para 2050 bajo trayectorias RCP6.0 y RCP2.6 en un contexto SSP2.
Los resultados muestran que, en 2025, la ruta Gas+Elec presenta ventajas claras en cambio climático y uso de recursos fósiles frente a la referencia, debido a una recuperación energética más eficiente y a la sustitución directa de electricidad de red. La configuración Gas+FT presenta un perfil más heterogéneo. Mejora en varias categorías, pero penaliza en cambio climático en el caso evaluado. Esta penalización se atribuye a la baja eficiencia de conversión hacia queroseno y a la limitada capacidad de sustitución de combustibles convencionales, especialmente por el contenido fósil del residuo transformado.
En los escenarios de 2050, la descarbonización de los procesos de fondo reduce los créditos por sustitución. Esto estrecha las diferencias entre configuraciones y limita los beneficios de sustituir productos convencionales, ya que dichos productos también mejoran su desempeño ambiental en el futuro. El análisis de capacidad de suministro muestra que una planta Gas+FT basada en residuos municipales podría contribuir al despliegue inicial de combustibles sostenibles de aviación, pero su cobertura disminuye con fuerza frente a la demanda proyectada. A medida que aumentan los requerimientos de SAF y cambia la disponibilidad del rechazo por mejoras en separación en origen, la capacidad relativa del sistema se vuelve insuficiente.
La principal conclusión de este bloque es que la orientación a producto introduce compromisos entre eficiencia, sustitución y escala. Producir un combustible líquido de alto valor no garantiza una mejora ambiental frente a la valorización eléctrica. La ruta puede aportar beneficios específicos, pero no es automáticamente superior en mitigación climática y difícilmente puede cubrir objetivos de SAF a largo plazo sin ampliar capacidad, diversificar materias primas o combinarse con otras rutas tecnológicas.
En conjunto, la tesis muestra que las tecnologías termoquímicas emergentes pueden contribuir a la valorización de residuos, pero su potencial depende de condiciones concretas. No basta con demostrar un buen rendimiento a escala de proceso. Es necesario analizar cómo la tecnología se integra en el sistema, qué productos sustituye, qué capacidad tiene, qué residuos trata y cómo evoluciona el contexto energético. La tesis también muestra que los beneficios ambientales asociados a la sustitución pueden disminuir en escenarios futuros, especialmente cuando los sistemas energéticos y productivos se descarbonizan.
Desde el punto de vista metodológico, la principal contribución es la conexión entre simulación de procesos, modelos sustitutos, MFA y ACV. Esta integración permite evaluar tecnologías emergentes con mayor detalle técnico que los enfoques basados en parámetros estáticos, pero con un coste computacional compatible con análisis de sistema. También permite mantener coherencia en los balances de masa y energía, algo fundamental cuando se trabaja con residuos heterogéneos y tecnologías sensibles a la composición de la alimentación.
Las conclusiones responden directamente a las preguntas de investigación. Respecto a la RQ1, los inventarios de ciclo de vida pueden modelarse eficazmente mediante modelos sustitutos entrenados con datos de simulación, preservando la respuesta frente a cambios en composición y condiciones de operación. Respecto a la RQ2, la simulación de procesos permite generar inventarios consistentes en ausencia de datos industriales y localizar puntos críticos del sistema. En relación con la RQ3, la integración de pirólisis, gasificación y reformado seco puede mejorar el desempeño ambiental frente a configuraciones basadas en incineración, pero solo si existe capacidad suficiente y una estructura de sistema adecuada. Finalmente, respecto a la RQ4, el rediseño hacia combustibles sostenibles de aviación introduce limitaciones de eficiencia, sustitución y escala que restringen su contribución a la descarbonización.
Como líneas futuras, la tesis plantea la necesidad de ampliar el análisis hacia dimensiones económicas y sociales, así como mejorar la robustez y aplicabilidad de los modelos a escalas territoriales más amplias. También resulta necesario estudiar la disponibilidad espacial de residuos y biomasa, los flujos interregionales y la viabilidad de despliegue de estas tecnologías en contextos reales. El trabajo proporciona una base metodológica sólida, pero deja claro que la evaluación ambiental debe entenderse como parte de una valoración más amplia de viabilidad tecnológica, económica, social y territorial.
