Javier Alonso · Captura y transporte de CO2

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Captura y transporte de CO2

Javier AlonsoSubdirector de Portafolio Tecnológico

9 de junio de 2011

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Índice/Contenido

1. Cambio climático y captura de CO2

2. Bases técnicas

3. Tecnologías y procesos de captura del CO2

4. Transporte del CO2

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Cambio climático y captura del CO2

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Niveles de CO2 en el aire y cambios detectadosCambios en temperatura, nivel del mar y

cobertura de nieve del Hemisferio Norte

Existe un consenso generalizado en relacionar el aumento de niveles de CO2 en la atmósfera y el aumento

de temperatura media del aire, lo que a su vez conlleva otros efectos

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¿Qué es la captura, transporte y almacenamiento de CO2?Uso de energía primaria (EJ/año), (Mtep/año)

Fuente: IPCC

33.404

28.632

23.860

19.088

14.316

9.544

4.772

Fuente: IPCC

“La captación y el almacenamiento de dióxido de carbono (CO2) (CAC)

constituyen un proceso consistente en la separación del CO2 emitido por la

industria y fuentes relacionadas con la energía, su transporte a un lugar de

almacenamiento y su aislamiento de la atmósfera a largo plazo”

Informe especial del IPCC ”La captación y el almacenamiento de CO2”

¿Qué aporta la CAC?

1. Los científicos han confirmado que hay que estabilizar la concentración

de CO2 en la atmósfera en 450 ppm de CO2 para no superar en más de

2ºC la temperatura media global y dar lugar a un cambio climático

irreversible

2. Se espera que la demanda mundial de energía se incremente al doble

en el año 2030, siendo la cobertura de las energías renovables tan sólo

el 30% de la misma

3. Al tiempo, para cumplir el objetivo citado, se deberán reducir las

emisiones al 50% de las que se producirían si no se hiciera nada

4. Dado el enorme reto que ello supone, todos los medios de reducción de

emisiones de CO2 en la atmósfera resultan imprescindibles y, entre

ellos, según reconoce el IPCC, la CAC

La CAC puede contribuir del orden del 20-30% de la brecha a salvar, contribuyendo a reducir

las emisiones en 9-16 Gt de CO2 hacia el año 2050


Qué es y qué aporta la CAC

Emisiones de CO2 (MtCO2/año)

Se prevé que en España se lleve a cabo alguno de los proyectos del Programa Europeo de Plantas de Demostración, dentro de la nueva “European Industrial Iniciative” promovida por el SET Plan

Itinerario tecnológico en España (PTCO2)

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Bases técnicas

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Características relevantes del CO2

Propiedades físicas y características del CO2

En estado gaseoso es:

Incoloro, inodoro e incombustible

Inerte, no tóxico, aunque en concentraciones

elevadas irrita y asfixia (por desplazamiento del

O2)

Soluble en agua

Gas de efecto invernadero

Más denso que el aire a presión atmosférica

(1,98 kg/m3 frente a 1,2kg/m3 del aire)

Altamente compresible.

Desde el punto de vista físico,

alcanza sus puntos triple y crítico a

parámetros básicos (p,T) bastante

manejables de cara a procesos a

escala industrial

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Bases técnicas

Volumen del CO2 vs profundidad: supercriticidad

Teniendo en cuenta el gradiente geotérmico, a profundidades de 800 m el CO2 se encuentra en

condiciones supercríticas

En estado supercrítico (punto crítico:

31ºC; 73 bar):

Se difunde a través de sólidos como un gas:

No moja superficies.

No sufre fuerzas capilares.

Se filtra por poros muy pequeños.

Es disolvente como un líquido:

Características disolventes variables con

la presión.

Fácil de separar del soluto y casi no deja

residuos.

Es inerte, accesible, barato y fácil de

manejar.

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Tecnologías y procesos de captura del CO2

Fuente: AIE

En todos los casos, se trata de producir una corriente concentrada de CO2 que pueda transportarse fácilmente a un lugar de almacenamiento seguro

En general, los retos actuales estriban en los saltos de escala necesarios, así como en la confirmación de la idoneidad de ciertas fases de los procesos


Tecnologías para los objetivos de 2020

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1. El gas que contiene el CO2 se

pone en contacto con un solvente

líquido capaz de capturar el CO2

2.El solvente cargado con CO2 se transporta a

otra torre donde se regenera mediante cambios

de T ó P y libera el CO2Gas without CO2

3. El solvente regenerado se envía de nuevo al

proceso de captura de CO2

4.Para contrarrestar las

pérdidas de actividad del

solvente, se introduce

siempre nuevo solvente

La absorción de CO2 se basa en la captura selectiva del CO2 contenido en la mezcla de gases al

entrar éstos en contacto con un líquido absorbente

Los aspectos críticos de este proceso son el consumo de energía y el consumo de absorbente (nº de

ciclos antes de su agotamiento)

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Captura Posterior a la Combustión


Aminas

Los reactivos más comunes en los procesos de absorción química están basados en disoluciones

acuosas de alcanolaminas, como la monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), trietanolamina

(TEA) y metildietanolamina (MDEA). También se utilizan variaciones y modificaciones de estas

aminas como la alanina, el metilaminopropanol o la piperazina y compuestos con nombre comercial

como “Econamine FG”, “Kerr-McGee MEA”, “ExxonMobil Flexsorb” o “BASF piperazines”

(CH3-CH2-CH2-CH2-NH-COO-)

(CH2)3-C-NH-COO-)

3232222 CORNHOHCORNH

3322323 2 HCORNHOHCOCORNH

RNHRNHCOOCORNH 3222 Reacción Directa

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Chilled Ammonia (Amoniaco enfriado)

Reacción entre carbonato y bicarbonato

La absorción de CO2 con carbonato de

amoniaco tiene lugar a temperaturas <20ºC

formando bi-carbonato de amoniaco, lo que

precipita en sólido. Se concentra el sólido y

pasa al torre de regeneración. Se aplica un

poco de calor y presión para separar el CO2

El proceso de enfriamiento captura los

contaminantes tales como SO2, NOx, HCl,

H2SO4 y partículas

La energía de la reacción para separar el

CO2 es, en principio, bastante inferior a la de

MEA

Tecnología más incipiente que la de las

aminas

2(NH4)+ + CO32- + CO2(g) + H2O 2(NH4)+ +

2HCO3-

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Consideraciones para la captura post-combustión

Baja concentración de CO2 en el gas de salida (5-15%) y presencia de otros gases, O2 e impurezas (SOx y NOx )

Necesidad de purificación de gases antes de la separación del CO2 para evitar la contaminación del producto absorbente

Menor rendimiento de la central por el consumo del proceso de captura

Tecnologías comerciales (aminas), aunque a escala más pequeña (200-500t/día) y aparición de nuevos absorbentes (Chilled Ammonia)

La mejora de eficiencia y la integración son claves

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Mejora de la eficiencia, como primera medida Actualmente, las centrales de carbón son competitivas y con elevada disponibilidad

Además, los suministradores de equipos son contrastados y con gran experiencia

Sin embargo, los rendimientos medios a nivel mundial actuales son mejorables

Las mejoras tecnológicas se orientan hacia la obtención de rendimiento cercanos al

50%+ (Proyecto COMITES700), paliando así en gran medida la pérdida de eficiencia

por la captura17



Warior Run Power Station, AES, (EE.UU. 2000): 50.000T/año

Boundary Dam y Universidad de Regina, Saskpower (Cañada): 4T/día

Shady Point, AES: 65.000T/año CO2 para alimentación

Archer Daniels Midland. Dow/Alstom (EE.UU)

Compostilla, Endesa (UE): 300kWt

Maasvlakte, E.ON (UE): 0,5MWe

Staudinger, Siemens, E.ON (UE): 0,5MWe

Hitachi, Elactrabel, E.ON (UE): 1MWe

Esbjer plant(Proyecto Castor) (UE):1T/h

Brindisi, ENEL (UE) – 1MW

Wilhelmsshaven, E.ON, Flour, (UE): 5MW

Heyden, E.ON, Cansolv (UE):7 Mwe

Niederaussem, RWE: 300kg/día

Nanko (JAPÓN, 1991): 600 tCO2/año

SUMIMOTO (JAPÓN, 1994): 50.000 tCO2/año

Plant Barry, Southern, EPRI, MHI (EE.UU): 25Mwe

Brindisi, ENEL

Plantas Piloto - Aminas

Pleasant Prairie, We Energies, EPRI (EE.UU): 1,7MW

Karrlshamn, E.ON (UE): 3 MWe

Mountaineer , AEP, EPRI, Alstom (EE.UU): 20MWe

Plantas Piloto - Chilled Ammonia

Mountaineer

Esbjer

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Plantas piloto o de demostración de captura del CO2 posterior

a la combustión


Preparación de combustible: Molienda y presurización de combustible

Fraccionamiento de aire: Producción de O2 para la gasificación y N2 para el ciclo

combinado con el fin de diluir el gas enriquecido en H 2 obtenido

Gasificación: Gasificación del combustible a alta presión (40bar) mediante oxidación parcial con oxígeno para producir gas de síntesis

Tratamiento de Gases: Producción de un gas enriquecido en CO2 y H2.Separación posterior del CO2

Acondicionamiento del gas: Dilución de gas enriquecido H2 con N2 y H2O para adaptarlo a las condiciones exigidas por la turbina de gas

Ciclo Combinado: Producción de electricidad sin emisión de CO2

Esquema del proceso

Captura Previa a la Combustión

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La gasificación transforma combustibles sólidos en gas combustible (gas de síntesis), mediante oxidación parcial con aire, oxígeno o vapor de agua. Este proceso es conocido desde hace mucho tiempo, habiéndose instalado el primer gasificador comercial en 1839.

El gas combustible obtenido está compuesto principalmente de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2), y conserva la mayor parte de la energía del combustible inicial para su combustión posterior en una turbina de gas.

Ese gas sintético pasa por un conversor (shift) para transformar el CO en CO2 por medio de la adición de vapor de agua, obteniendo un gas rico en CO2 y H2.

Reacción de desplazamiento (shift): CO + H2O -> CO2 + H2

Una vez separado el CO2 , el H2 se utiliza como combustible en un ciclo combinado de generación eléctrica y/o bien se podría derivar a usos alternativos

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Ventajas:

La separación de gases se realiza en una corriente degas a alta presión (es posible usar absorción física, demuy bajo consumo energético y de mucho menor tamañoy coste)

Todos los componentes están demostrados a gran escala(especialmente en el sector químico) excepto la turbinade H2

Flexible respecto al combustible y respecto al productoenergético (electricidad, CO-H2, H2, combustibles deautomoción con bajo C/H)

Prácticamente todos los estudios independientes leasignan el mínimo incremento de costes debido a lacaptura de CO2

Inconvenientes:

La tecnología de referencia (Gasificación Integrada enCiclo Combinado - GICC) no ha penetrado en el mercadode generación, siendo hoy en día la más cara (sincaptura)

Las pocas centrales existentes de GICC no handemostrado aún buena disponibilidad

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Great Plains: Planta de gasificación de carbón North Dakota - 3.3 Mt CO2 /año inyectados en el campo petrolífero Weyburn (Canada)

Elcogas – Planta piloto de 20MW – slip stream a GICC

Nuon –Planta piloto en la GICC de Buggenum

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Plantas piloto o de demostración de captura del CO2 previa a

la combustión


• El O2 para la combustión en vez de aire a fin de disponer de un gas de salida enriquecida en CO2 a niveles hasta 90-95%

• En fase de Investigación y Desarrollo, más incipiente que la post y pre-combustión.

• Clave: El conocimiento de los materiales

• Ventaja: Reducción de volúmenes de hogar y calderas y los costes de separación y compresión

• Necesita: unidad de fraccionamiento de aire y un sistema de recirculación del gas combustible23

Captura en proceso Oxifuel

Oxicombustión, diagrama de proceso Planta Piloto de 30MWth

Vatenfall


• Captura del CO2 a alta temperatura. Del gas de combustión se captura el CO2 mediante una carbonatación con óxido de calcio a 650ºC (o con oxido de Li/alcalinos).

• Se separa el CO2 en una reacción posterior de calcinación y el óxido de calcio queda disponible para un nuevo ciclo

650-700 ºC

Carbonatación

Gas con

CO2

>900 ºC

Calcinación

MeCO3

CO2

Sorbente

fresco

MeOCalor

+

Oxigeno

Gas sin

CO2

Sorbente

gastado

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Otras tecnologías en grado más incipiente

Proceso de Carbonatación/Calcinación Planta de Carbonatación/Calcinación

Gas Natural Fenosa


Jupiter Oxygen, Hammond 15MWt (2006)

B&W, Aliance Ohio, 15MWt (2006)

Lacq Francia, Total 10MWe (2008),

Schwarze Pumpe Vattenfall, 30MWt (2009)

Oxy-Coal UK, Doosan Babcock 40MWt (2009)

Alstom, Windsor, Conecticut, 15MWt (2009)

Callide A, CS Energy, Australia 80MWt (2010)

Cuiden, Bierzo, Foster Wheeler, Cuidad de Energía) 20MWt (carbón pulverizado) y 30MWt (Lecho Fluido) – en construcción

Doosan Babcock 40MWt

Schwarze Pumpe 30MWt (Coste >80M€)

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Plantas piloto o de demostración de captura del CO2 por

oxicombustión


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Transporte del CO2

Transporte del CO2

27

Concepto

28Fuente: Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, IPCC

Líneas de transporte de CO2 de larga distancia existentes (EE.UU.)

Transporte del CO2

Reaprovechamiento de tuberías de transporte de fluidos (metano) en campo y

yacimientos depletados (EOR, ENHANCED-OIL-RECOVERY)

Tuberías cuyo diseño es “ad-hoc” y por tanto DFP (Designed-For-Purpose)

La experiencia en transporte por tubería de CO2SC (Supercrítico) se basa en CO2 de

origen natural y prácticamente no existe experiencia en CO2SC de origen

antropogénico

Aspectos previos al inicio de cualquier proyecto CAC:

Disponer de una localización concreta para el futuro Almacenamiento

Geológico de Dióxido de Carbono

Características de los focos emisores de CO2 y técnicas de captura, que

definen las impurezas que incorporará el CO2 a transportar

Identificación de los trazados mas favorables y declaración de utilidad pública

para la conducción

Disponer de simuladores del sistema integrado, tanto en régimen transitorio

como en operación en continuo de las plantas productoras

Transporte del CO2

Aspectos fundamentales

29

Fuente: European Pipeline Research Group (EPRG)

Transporte del CO2

El CO2 “real”

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Planteamiento del ceoducto: “point-to-point” o asociado a una red de ceoductos

Especificación del producto: % pureza de la corriente de CO2

Diseño mecánico y fractura

Proximidad a zonas densamente pobladas

Distancia entre válvulas de corte y golpes de ariete

Necesidad de trampas de rascadores, “In-Line-Inspection, ILI”

Brittle failure Ductil failure

Transporte del CO2

Factores de diseño

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Fuente: DNV, European Pipeline Research Group (EPRG)

CO2

Concentracion

en el aire (%

V/V)

1 – 2 minutos Molestias auditivas y visuales

? 16 minutos Dolor de cabeza, dificultad para

respirar (disnea)

Varias horas Temblores

Unos pocos

minutos

Perdida de conciencia

Entre 1.5

minutos y 1

hora

Dolor de cabeza, Incremento

pulsaciones , respiración

entrecortada,mareos,

sudoración, respiración rápida

17 – 30

En 1 minuto Pérdida de la actividad

controlada, inconsciencia,

convulsiones, coma, muerte

Efectos sobre la salud de concentraciones elevadas de CO2

mareos, contracciones

musculares severas, pérdida

del conocimiento

6

7 – 10

>10 – 15

Entre 1 minuto

y varios

minutos

31 hora Dolor de cabeza leve,

sudoración y dificultad para

respirar en reposo

4 – 5En unos pocos

minutos

Dolor de cabeza, mareos,

aumento de la presión arterial,

la respiración incómoda

EXPOSICION EFECTOS EN SERES

HUMANOS

2Varias horas Dolor de cabeza dificultad para

respirar cuando hace algún

esfuerzo leve

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Transporte del CO2

Peligrosidad y difusividad

Posibilidad de despresurizado controlado y venteos: los ceoductos entran dentro

del régimen de comercio de emisiones

Transporte del CO2

¿Planteamiento futuro?

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El modelo de gestión del CO2 está por definir, siendo el transporte la etapa de enlace entre emisores y sumideros

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Esta presentación es propiedad del Gas Natural Fenosa. Tanto su

contenido temático como diseño gráfico es para uso exclusivo

de su personal.

©Copyright Gas Natural SDG, S.A.

Muchas gracias

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