Un equipo de dos investigadores de la UPM y tres de SINTEF Industry, Trondheim, Noruega, evalúan tecnologías innovadoras para evitar la emisión de Gases de Efecto Invernadero.
El 26% de la energía generada en el mundo emplea el carbón como combustible, en la UE esta fuente proporciona el 15% de la energía primaria
La comunidad científica lleva años alertando de los graves problemas asociados al calentamiento global debidos a la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Hasta la fecha se han propuesto unas cuantas vías para reducir las emisiones de estos gases, el principal de los cuales es el dióxido de carbono puesto que aparece como residuo en todos los procesos de combustión que ocurren tanto a nivel industrial, como doméstico y de transporte. Entre ellas, la captura y almacenamiento de CO2 (CCS – CO2 Capture and Storage) es posiblemente una de las más importantes cuando se buscan reducciones de emisiones profundas de una forma realista. Según el quinto informe del Panel Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change) no será posible alcanzar un objetivo de emisiones consistente con el Acuerdo Climático de París sin contar con la CCS de acuerdo con la mayoría de los modelos.
Desafortunadamente, la implementación de la tecnología CCS se está quedando muy por detrás de la trayectoria necesaria para limitar el aumento de la temperatura global por debajo de 2 ºC. Este retraso está relacionada con el alto coste de las tecnologías CCS de primera generación, que requieren precios de CO2 superiores a 60$ por tonelada no emitida para lograr competitividad en el caso de la fuente de emisiones global más grande: las centrales eléctricas de carbón. En estas centrales incorporar tecnologías CCS aumentarían el consumo de combustible por unidad de electricidad en un 30 %, y además aumentaría el coste de capital específico (€/kW) ya que se necesita una planta más grande para producir una misma potencia. Reducir la penalización energética es un tema principal de investigación y desarrollo.
Entre las diferentes opciones para ello, la combustión mediante lazo químico (CLC – Chemical-Looping Combustion) es una de la más prometedoras actualmente, ya que desde un punto de vista fundamental permite lograr la captura de CO2 sin penalización energética directa. En efecto, en la combustión convencional, el combustible (típicamente un hidrocarburo) es oxidado con el oxígeno del aire de forma que el carbono se transforma en CO2, mientras que el hidrógeno deviene en agua. Este proceso químico sucede con gran liberación de energía. El problema reside en que las moléculas de CO2 quedan inevitablemente imbuídas el aire y la separación de este gas causante del efecto invernadero de los demás constituyentes gaseosos del aire (sobre todo nitrógeno) resulta muy costosa energéticamente. En contraposición, CLC utiliza un portador (típicamente un óxido metálico) que absorbe el oxígeno en contacto con aire y lo libera posteriormente para oxidar el combustible en otro lugar. La liberación de energía en este proceso químico cíclico es equivalente a la de la combustión convencional. De esta manera, dos reactores CLC independientes (un reactor de aire y un reactor de combustible, ver figura) producen corrientes gaseosas separadas: por un lado aire muy caliente ligeramente empobrecido en oxígeno, y por otro lado, los productos de la oxidación del combustible, fundamentalmente dióxido de carbono y agua. El dióxido de carbono se secuestra después muy fácilmente puesto que el agua es condensable bajando la temperatura. Por su parte, la corriente de aire caliente puede emplearse en un ciclo de potencia convencional basado turbinas de gas para producir de energía eléctrica con alta eficiencia. El concepto CLC se muestra de forma esquemática en la figura.
El desarrollo de reactores CLC está siendo lento, en parte porque necesitan funcionar a presiones elevadas, creando serios desafíos de escalabilidad. Además, la circulación de importantes masas de sólidos requiere grandes ciclones para lograr la separación de sólidos en las salidas de los reactores evitando al mismo tiempo la mezcla de CO2 y N2. Estos ciclones deben estar sellados para evitar las fugas al exterior por el efecto de la presurización.
En este contexto, la tecnología de conmutación de gas (GSC – Gas Switching Combustion) es una variante de CLC prometedora. Aunque similares, se diferencian en que, mientras en CLC se transfieren los portadores de oxígeno desde un reactor a otro y se mantiene constante cada flujo de gas entrante y saliente de los reactores, en el caso de GSC existe un único reactor en el que permanece en todo momento el portador de oxígeno y se conmuta alternativamente la entrada y salidas de gases del mismo. Entre otras ventajas, GSC evita los problemas de escalabilidad asociados a la circulación precisa y fiable de grandes cantidades de material portador de oxígeno entre diferentes reactores.
Nuestro estudio propone, analiza y optimiza una nueva configuración de planta para la producción de energía a partir de combustibles sólidos con captura integrada de CO2 basada en tecnología GSC. La planta integra un ciclo termodinámico de generación de energía mediante una turbina de gas de aire húmedo (HAT – Humid Air Turbine) y diferentes esquemas de gasificación con madurez tecnológica demostrada. Nuestro planteamiento con GSC-HAT contempla que las etapas del reactor de reducción y oxidación de la operación GSC se pueden desacoplar permitiendo una operación flexible.
La planta GSC-HAT evaluada logra una eficiencia eléctrica del 42.5% con una tasa de captura de CO2 del 95.0% con un gasificador Shell con alimentación en seco y enfriamiento parcial por inyección de agua, mientras que alcanza un 41.6% de eficiencia y un 99.2% de captura de CO2 con un gasificador GE-Texaco con alimentación fluidizada. Estos resultados muestran que este concepto de planta flexible aparece como una alternativa muy prometedora para configurar sistemas energéticos de nueva generación y bajas o nulas emisiones de GEI.
Angel Jiménez Álvaro, ETS Ingenieros Industriales, UPM
Arnaiz del Pozo, C., Cloete, J.H., Cloete, S., Jiménez Álvaro, A., Amini, S. Integration of gas switching combustion in a humid air turbine cycle for flexible power production from solid fuels with near‐zero emissions of CO2 and other pollutants. International Journal of Energy Research, 06 May 2020 https://doi.org/10.1002/er.5443
