Diapositiva 1 - Universidad de Castilla

CURSOS DE VERANO 2008
UNIVERSIDAD DE CASTILLA LA MANCHA
Albacete, 10-11 de Julio de 2008
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN.
LA OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE
PUERTOLLANO.
ELCOGAS S.A.
Francisco García Peña
1
1.
PRODUCCCIÓN DE H2 A PARTIR DE GASIFICACIÓN
DE COMBUSTIBLES.
2.
CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CO2 (CAC)
3.
LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo
Combinado).
4.
UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN
COPRODUCCIÓN DE H2 Y ELECTRICIDAD.
5.
COSTES
6.
ACTIVIDADES DE I+D+i
2
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
PROCESO
VAPOR
CARBÓN
COQUE
PETRÓLEO
CALIZA
CALDERA AP
CALDERA MP
PREPARACIÓN
CARBÓN
GASIFICADOR
GAS
FILTRACIÓN
CRUDO
LAVADO
CON
AGUA
SEPARAC.
AZUFRE
CO + H2
SH2
N2
O2
ESCORIA
CENIZA
AGUA A
TRATAMIENTO
(CN-, NH3, HCl, HF)
REACTOR
SHIFT
CO2 + H2
PLANTA DE FRACCIONAMIENTO
DE AIRE (ASU)
SEPARAC.
CO2 Y AZUFRE
CO2
(SH2)
H2 (80%)
PURIFICACIÓN
H2
(99,99%)
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
Tipos de gasificadores
Lecho fijo
Lecho fluido
Lecho arrastrado
(400-1100ºC, 10-100 bar)
(800-1050ºC, 10-25 bar)
(1200-1600ºC, 25-40 bar)
Carbón
(3-30mm)
Gas
Gas
Gas
Carbón
(1-5mm)
Carbón
(0.1mm)
Carbón
(0.1mm)
Vapor+ O2
Vapor+ O2
Vapor+ O2
Vapor+ O2
Ceniza
Ceniza
Escoria
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
Reacciones de gasificación
1. Reacciones de pirólisis
Constan de tres etapas:
• Secado combustible
• Calentamiento y desprendimiento de volátiles (CO, H2, CO2,
H2O) lo que provoca un aumento de la porosidad, y
• Aproximadamente a 400ºC se piroliza (craqueo térmico),
formando residuo rico en C fijo (char) y compuestos
gaseosos
5
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
Reacciones de gasificación (cont.)
2. Reacciones de combustión: tras la pirólisis, T muy alta y
concentración O2 muy elevada.
• H2 + 1/2 O2 → H2O
• CO + 1/2 O2 → CO2
• CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
(-∆Hº) > 0 exotérmicas
• C6H6 +15/2 O2 → 6 CO2 + 3 H2O
• C + 1/2 O2 → CO
• C + O2 → CO2
Se consume la mayor parte de O2
6
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
Reacciones de gasificación (cont.)
3. Reacciones de gasificación
Se inician T del residuo carbonoso ∼ 700 ºC
• C + CO2 → 2 CO
(-∆Hº) < 0
• C + H2O → CO + H2
(-∆Hº) < 0
• C + 2 H2 → CH4
(-∆Hº) > 0
• CH4 + H2O → CO + 3 H2
(-∆Hº) < 0
• CO + H2 O→ CO2 + H2
(-∆Hº) > 0
Composición final del gas de carbón o gas sintético:
CO, H2, CO2, CH4, compuestos de S (COS, H2S), de N (NH3,
HCN) y sólidos arrastrados (cenizas).
7
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
Composición del singas según la tecnología de gasificación
Lecho fijo
Lecho fluido
Lecho arrastrado
Gasificador
Fijo
seco
Fijo
con
escoria
Fijo
con
escoria
Fluido
KRW
Fluido
Una
etapa
húmedo
Una
etapa
seco
Dos
etapas
húmedo
Dos
etapas
seco
P (barg)
27.5
27.5
69
31
69
69
34
31
69
H2
40
28
25
34
32
37
28
33
32
CO
17
59
59
45
13
47
64
54
29
CH4
9
7
10
7
15
< 0.1
< 0.1
1
15
CO2
32
3
3
12
36
14
2
10
22
N2+ A
2
3
3
2
4
2
6
2
2
Gasification technology (EPRI, 2007)
Mejor tecnología de gasificación depende de los objetivos de la planta:
• Para H2, síntesis de NH3, metanol y líquidos F-T, el singas debe ser compuesto mayoritariamente por CO y H2
• Para GICC sin captura de CO2, el metano es aceptable (mayor eficiencia y menor consumo de O2)
• Para GICC con captura de CO2, la presencia de metano reduce la captura de CO2
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
Combustión vs. Gasificación
Combustión
Gasificación
Carbono
CO2 (sin valor energético)
CO (con valor energético)
Hidrógeno
H2O (sin valor energético)
H2 (con valor energético)
Nitrógeno
NO, NO2 (reducen capa ozono)
NH3/N2 (eliminan en lavado húmedo)
Azufre
SO2/SO3 (lluvia ácida)
COS, H2S (se convierten en S sólido)
Agua
H2O (sin valor energético)
H2 (con valor energético)
Cenizas
Cenizas volantes se mezclan con
caliza formando gran cantidad de
residuos
Cenizas volantes/escorias se
comercializan
9
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
REACCIÓN GAS-AGUA
(WATER GAS SHIFT REACTION)
CO + H2O
CO2 + H2
Reacción catalítica exotérmica.
Catalizadores:
• Dulces: necesario retirar el azufre de la corriente a tratar
• Ácidos: operan con azufre, costes mayores
10
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE CO2
METODO
COMENTARIOS
Adsorción
Baja capacidad y selectividad de adsorbentes
Alto coste
Absorción
Regeneración compleja
Múltiples procesos probados comercialmente
Alta selectividad y eficiencia
Criogenia
Muy alto consumo energético
Membranas
Tecnología en desarrollo
Baja selectividad
Hidratos
Tecnología prometedora
No desarrollada (ni fase experimental)
11
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
PURIFICACIÓN DE HIDRÓGENO EN GICC: TECNOLOGÍAS
1. ADSORCIÓN: PROCESO PSA (Pressure Swing Adsorption)
Adsorción de los componentes indeseados (moléculas de mayor tamaño: CO, CO2)
a alta presión, y desorción a baja presión. Se obtiene corriente de hidrógeno puro
y a elevada presión
2. PERMEACIÓN: POLÍMEROS / MEMBRANAS
Permeación más veloz del hidrógeno a través de un polímero / membrana,
separándose del CO. Cuanta mayor pureza, menor tasa de recuperación del H2
3. DESTILACIÓN CRIOGÉNICA
Diferentes puntos de ebullición del H2 (-252,8ºC a 1 atm) y el CO (-191,5ºC a
1 atm), que se separa por cola
CRITERIOS
DE SELECCIÓN
Condiciones de operación (P, contenido H2, recuperación)
Aplicación final del hidrógeno: Pureza requerida
•
•
Más restrictiva: PEMFC: CO < 10 ppm
Menos restrictiva: combustión (motores, turbinas)
12
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
1. Producción de H2 a partir de combustibles fósiles
Resumen
Paso 1: Producción del gas de síntesis por gasificación o reformado de
metano con vapor SMR
Compuesto carbonoso + O2 + H2O
CO + H2 + Impurezas
Paso 2: “Shifting” o reacción gas-agua
CO + H2O
CO2 + H2
Paso 3: Separación de H2 y CO2
H2
y
CO2
La producción de H2 a partir de combustibles
fósiles lleva implícita la generación de CO2 ⇒ Para
poder hablar de H2 “limpio” hay que considerar la
CAC
Cenizas
Char
ClCNSH2
COS
CO2
N2
....
13
1.
PRODUCCCIÓN DE H2 A PARTIR DE GASIFICACIÓN DE
COMBUSTIBLES.
2.
CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CO2 (CAC)
3.
LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo
Combinado).
4.
UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN
COPRODUCCIÓN DE H2 Y ELECTRICIDAD.
5.
COSTES
6.
ACTIVIDADES DE I+D+i
14
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
2. Captura y almacenamiento de CO2 (CAC)
Reducción de emisiones para las diversas
alternativas de mitigación (fuente IPCC)
Informe IPCC 2005
http://www.ipcc.ch/ipccreports/srccs.htm
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
2. Captura y almacenamiento de CO2 (CAC)
TECNOLOGÍAS DE CAPTURA
Considerando las tecnologías de separación de CO2 comercialmente existentes, su aplicación en los
tres sistemas presentan las siguientes ventajas e inconvenientes generales:
POSTCOMBUSTIÓN:
☺
Es aplicable a las tecnologías más extendidas y existentes de uso de combustibles fósiles para
generación de calor o electricidad
Su aplicación en plantas de energía introduce altos costes adicionales de inversión, reducción severa de
eficiencia, y requiere desarrollo tecnológico para el volumen de gases a tratar
OXICOMBUSTIÓN:
☺
Disminuye los costes de separación y lo facilita respecto a la combustión con aire
Requiere desarrollo de quemadores, calderas y equipos auxiliares para la combustión con oxígeno
puro que no existen actualmente
PRECOMBUSTIÓN:
☺
La tecnología, en la escala necesaria, existe comercialmente en la industria química (producción de
H2 y NH3), permitiendo la coproducción de electricidad con mayor eficiencia. Es el único que se puede
aplicar al transporte al permitir transformar el combustible original en otro combustible libre de carbono
La implantación de estos sistemas, sin captura de CO2, para producción de electricidad (GICC,
RICC) es incipiente, y sus costes de capital altos
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
2. Captura y almacenamiento de CO2 (CAC)
MÉTODOS DE ALMACENAMIENTO DE CO2
1. Almacenamiento geológico en depósitos naturales
Reservas de petróleo y gas natural Agotadas: almacenamiento CO2
Activas: almacenamiento CO2 /extracción
Vetas de carbón inexplotables
petróleo/gas
Acuíferos salinos profundos
Otras formaciones: cavidades minerales en bóvedas salinas, formaciones de
otros minerales.
2. Almacenamiento oceánico
Inyección directa de CO2 puro en
Moderadas profundidades (1000 – 2000 m)
Depresiones en el fondo: lago de CO2
Disolución del CO2 como bicarbonato soluble
Deposición de hidratos de CO2 (cristales CO2 6H2O) en altas profundidades
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
2. Captura y almacenamiento de CO2 (CAC)
POSIBILIDADES DE ALMACENAMIENTO DE CO2
Emisiones totales de CO2 año 2007: ~27 Gt
Capacidad de almacenamiento geológico: 1,735 Gt (seguro). 11,100 Gt (probable)
Fuente: Informe especial del IPCC, 2005. La captación y el almacenamiento de dióxido de carbono.
18
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
2. Captura y almacenamiento de CO2 (CAC)
PRINCIPALES PROYECTOS DE ALMACENAMIENTO DE CO2
EXISTENTES/PROPUESTOS
19
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
2. Captura y almacenamiento de CO2 (CAC)
PRINCIPALES PROYECTOS DE ALMACENAMIENTO DE CO2:
PROYECTO SLEIPNER
Sleipner CO2 Injection
Fuente: Dr. Ing. Tore A Torp, Statoil Research Centre, Norway
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
2. Captura y almacenamiento de CO2 (CAC)
PRINCIPALES PROYECTOS DE ALMACENAMIENTO DE CO2:
PROYECTO SLEIPNER
Time-lapse seismic datasets of CO2 stored in Utsira formation
Fuente: Dr. Ing. Tore A Torp, Statoil Research Centre, Norway
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
2. Captura y almacenamiento de CO2 (CAC)
PRINCIPALES PROYECTOS DE ALMACENAMIENTO DE CO2:
PROYECTO SLEIPNER
Dissolution of CO2 in the Utsira Brine
Year 2412
Year 2021
Year 2621
Year 5019
Year 7018
Source: Gemini No. 1, 2004 (NTNU and Sintef)
1.
PRODUCCCIÓN DE H2 A PARTIR DE GASIFICACIÓN DE
COMBUSTIBLES.
2.
CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CO2 (CAC)
3.
LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo
Combinado).
4.
UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN
COPRODUCCIÓN DE H2 Y ELECTRICIDAD.
5.
COSTES
6.
ACTIVIDADES DE I+D+i
23
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
3. La tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)
DIAGRAMA DEL PROCESO
GASES
A CHIMENEA
CALDERA
RECUPERACIÓN
CALOR
VAPOR
AP
TURBINA DE VAPOR
135 MWISO
VAPOR
VAPOR
MP
CONDENSADOR
TORRE DE
REFRIGERACIÓN
CARBÓN
COQUE
PETRÓLEO
CALIZA
GASES DE COMBUSTIÓN CALIENTES
CALDERA AP
CALDERA MP
PREPARACIÓN
CARBÓN
GASIFICADOR
GAS
FILTRACIÓN
CRUDO
GAS
LIMPIO
SEPARAC.
AZUFRE
LAVADO
CON
AGUA
GAS
DE COLA
GAS DE ENFRIAMIENTO
N2
O2
ESCORIA
CENIZA
GAS
CLAUS
AGUA A
TRATAMIENTO
AIRE
O2
TURBINA
DE GAS
200 MWISO
RECUPERACIÓN
AZUFRE
AZUFRE
PLANTA DE FRACCIONAMIENTO
DE AIRE (ASU)
N2 RESIDUAL
AIRE COMPRIMIDO
24
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
3. La tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)
PRINCIPALES DATOS DE DISEÑO
CARBÓN
COMBUSTIBLE
POTENCIA
ELÉCTRICA
TURBINA
DE GAS
(MW)
182.3
Humedad (%p)
Ceniza (%p)
C (%p)
H (%p)
N (%p)
O (%p)
S (%p)
PCI (MJ/kg)
TURBINA
TOTAL
DE VAPOR
BRUTO
(MW)
(MW)
135.4
317.7
11.8
41.10
36.27
2.48
0.81
6.62
0.93
13.10
TOTAL
NETO
(MW)
282.7
EFICIENCIA
(PCI)
BRUTA
NETA
47.12%
42.2%
EMISIONES
SO2
NOx
Partículas
g/kWh
mg/Nm3 (6% Oxígeno)
0.07
0.40
0.02
25
150
7.5
COQUE
MEZCLA
(50:50)
7.00
0.26
82.21
3.11
1.90
0.02
5.50
31.99
9.40
20.68
59.21
2.80
1.36
3.32
3.21
22.55
POTENCIA
Y EMISIONES
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
3. La tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)
COMPOSICIÓN DEL GAS DE SINTESIS
GAS CRUDO
Composición
GAS LIMPIO
Media real
Diseño
Composición
CO (%)
59,26
61,25
H2 (%)
21,44
22,33
CO2 (%)
2,84
3,70
CO2 (%)
N2 (%)
13,32
10,50
Ar (%)
0,90
H2S (%)
COS (%)
HCN (ppmv)
Media real
Diseño
CO (%)
59,30
60,51
H2 (%)
21,95
22,08
2,41
3,87
N2 (%)
14,76
12,5
1,02
Ar (%)
1,18
1,03
0,83
1,01
H2S (ppmv)
3
6
0,31
0,17
COS (ppmv)
9
6
23
38
HCN (ppmv)
–
3
GAS DE
SÍNTESIS
26
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
3. La tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)
COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE CARBÓN
Factor
GICC
Lecho fluido
atmosférico
PC
subcrítica
PC
supercrítica
Eficiencia
Neta
(% PCI)
39,2 – 43,1
36,0
36,0
42
712 – 783
852
852
774
0,07 – 0,14
1,40
2,50
2,15
0,05 – 0,40
0,80
2,30
1,10
Emisión CO2
(kg/MWh)
Emisión SO2
(kg/MWh)
Emisión NOx
(kg/MWh)
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
3. La tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)
VENTAJAS (1)
Alta eficiencia. Mayor que otras tecnologías de generación de
energía a partir de carbón, y gran potencial de mejora: neta 42%
50%
Carbón (diversidad de
cualidades)
Alimentación flexible
Combustibles alternativos (petcoke, RSU, biomasa, etc.)
Disponibilidad de combustible
secundario en el ciclo combinado
Fiabilidad en el suministro de energía
Flexibilidad de producto
Electricidad, H2, CO2, metanol, NH3,
gasolinas, etc
Menor riesgo: Producción acorde con mercados
28
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
3. La tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)
VENTAJAS (2)
Medioambiente:
• Menores emisiones de CO2 que otras plantas basadas en carbón.
Mejor potencial para plantas de cero emisiones
• Bajas emisiones de gases ácidos (SO2, NOx) y partículas. Similar
o mejor que los ciclos combinados con gas natural
• Menores residuos. La escoria, ceniza, azufre y sales son
subproductos
• Menor consumo de agua que otras plantas basadas en carbón.
No se producen dioxinas/furanos cuando se utilizan combustibles
orgánicos
• Mejor método para eliminar emisiones de Hg
29
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
3. La tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)
VENTAJAS (3)
Economía:
• Combustible muy competitivo con gas natural. Coste variable
del KWh con carbón es actualmente un tercio del producido con
gas natural
• Menor coste de captura de CO2 (precombustión)
• Los residuos son productos comerciales.
Sostenibilidad:
• Reservas de carbón para más de 200 años y con mejor
distribución
• Admite casi cualquier combustible con suficiente contenido en
carbono
30
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
3. La tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)
DESVENTAJAS (1)
Tecnología en estado de demostración
Las cuatro grandes plantas basadas en carbón (USA & EU) informan
de disponibilidades GICC entre 60 and 75% (> 90 % si se considera el
combustible auxiliar)
Principales causas de indisponibilidad relacionadas con la falta de
madurez:
Diseño de sistemas auxiliares: Manejo de sólidos, corrosión
en paradas, filtros cerámicos, materiales y procedimientos
adecuados
Comportamiento de turbinas última generación con gas
sintético y otros
31
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
3. La tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)
DESVENTAJAS (2)
Principales causas de indisponibilidad relacionadas con la falta de
madurez (cont.):
Excesiva integración entre unidades. Alta dependencia y
retrasos en arranques
Procesos más complejos que otras plantas eléctricas de
carbón. Se requiere aprendizaje. GICC existentes operados
por compañías petroquímicas con residuos de refinerías
informan de disponibilidades superiores a 92% (Complejidad de
procesos similar a los de la industria química, varios trenes en
paralelo, manejo de sólidos más fácil)
Alto coste de inversión
Los costes de inversión de plantas existentes entre 1,500 y 2,000
€/KW (1990-1998).
Actualmente se estima en 1.400-2.200 €/kW instalado
32
1.
PRODUCCCIÓN DE H2 A PARTIR DE GASIFICACIÓN DE
COMBUSTIBLES.
2.
CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CO2 (CAC)
3.
LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo
Combinado).
4.
UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN
COPRODUCCIÓN DE H2 Y ELECTRICIDAD.
5.
COSTES
6.
ACTIVIDADES DE I+D+i
33
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
4. Utilización de la tecnología GICC en coproducción de H2 y electricidad
ALTERNATIVA 1: Producción de H2 mediante separación con membranas + PSA
N2
UNIDAD DE
N2 RESIDUAL
SEPARACIÓN DE AIRE
O2
GASIFICACIÓN
GAS
LIMPIEZA Y
CRUDO
DESULFURACION
GAS
LIMPIO
AIRE A PRESIÓN
SATURADOR
CICLO
COMBINADO
GAS COMBUSTIBLE (CO, H2)
CARBON /
COQUE PETRÓLEO
DEPURACIÓN H2
H2
(UNIDAD PSA)
MEMBRANA
Pilas de Combustible
Automoción
Otros usos
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
4. Utilización de la tecnología GICC en coproducción de H2 y electricidad
ALTERNATIVA 2: Producción de H2 mediante reacción shift + PSA
N2
UNIDAD DE
N2 RESIDUAL
SEPARACIÓN DE AIRE
O2
AIRE A PRESIÓN
GAS
CRUDO
GASIFICACIÓN
LIMPIEZA
GAS
LIMPIO
DESULFURACIÓN
SATURADOR
CO2 (+SH2)
CARBON /
COQUE PETRÓLEO
CICLO
COMBINADO
GAS COMBUSTIBLE
(RICO EN CO2, H2)
DEPURACIÓN H2
VAPOR
(UNIDAD PSA)
H2
SEPARACIÓN CO2
REACCIÓN SHIFT
CO + H2O ↔ CO2 + H2
(ABSORCION)
Pilas de Combustible
Automoción
Otros usos
35
1.
PRODUCCCIÓN DE H2 A PARTIR DE GASIFICACIÓN DE
COMBUSTIBLES.
2.
CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CO2 (CAC)
3.
LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo
Combinado).
4.
UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN
COPRODUCCIÓN DE H2 Y ELECTRICIDAD.
5.
COSTES
6.
ACTIVIDADES DE I+D+i
36
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
5. Costes
PRODUCCIÓN MUNDIAL DE H2
Distribución por Fuente de
Energía Primaria
18%
4%
48%
30%
Fuente: UNICAMP 2004
Electrólisis
Gas Natural
Petróleo
Carbón
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
5. Costes
COSTES DE PRODUCCIÓN DE H2
Previsiones de
costes de
producción de H2
(US$/GJ, actual
y años 20202030)
Basado en:
• IEA (International Energy Agency), abril 2007
• European Commission, datos 2006 y 2003
Previsiones de costes de
producción de H2
Evolución del coste del
combustible
$ /G J
GN
Carbón
7
6
5
4
3
2
1
0
2003
2007
Año
Considerado
en estudio
38
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
5. Costes
COMPARACIÓN ENTRE TECNOLOGÍAS DE CAPTURA DE CO2
POST-COMBUSTION
FUENTE
Eficiencia del
sistema de
captura, %
ZEP,
2006
IPCC,
2005
85
85-90
PRE-COMBUSTION
IEA GHG, ZEP,
2003
2006
92
OXY-COMBUSTION
IEA
IPCC, IEA GHG, ZEP,
IPCC,
GHG,
2005
2003
2006
2005
2003
85-91
91
91
Incremento del
coste de la
electricidad, %
42-66
50
20-55
24-26
29-119
56-82
Disminución de
la eficiencia, %
11-15
8-11
5-9
6-8
5-11.2
8-13
Tipo de planta
PC
PC
PC
GICC
GICC
GICC
PC
PC
PC
Coste de la
electricidad,
cent €/ kWh
5.7
4-6
6.6
5.8
5-7.3
5-6
5.5
4-6
6-8
22.4
40-65
55-60
21.1
13-38
23-33
17.6
35
57-66
Coste de la
captura €/tCO2
Aunque los diferentes resultados según los estudios sólo pueden clarificarse con
plantas de demostración, la pre-combustión se presenta generalmente como el
método más barato de captura, el que produce menor disminución en la eficiencia y
se trata de procesos probados industrialmente en su mayoría.
39
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
5. Costes
without CO2 capture
with CO2 capture
2368
2358
2500
2021
2000
x 1,21
1522
1500
1355
1323
x 1,17
884
1000
507
x 1,09
500
0
coal-based IGCC
PC-Sub
PC-Super
Cost of electricity (cents kWh)
10
8,63
8
6
6,84
5,26
8,37
6,39
4,99
4,97
4
2
0
coal-bassed IGCC
PC-Sub
Enero 2007
2496
2000
PC-Super
NGCC
without CO2 capture
with CO2 capture
1841
1575
1549
1500
1172
1000
554
500
0
Avg IGCC
8,35
2870
2500
NGCC
x 1,48
12
2895
3000
C o s t o f e le c tric ity (c e n ts $ 0 7 / k W h )
T o ta l p la n t c o s t ($ /k W n e t)
3000
T o tal p lan t co s t ($ 07 /k W n e t)
Cambios en los costes estimados entre la edición de enero y la de agosto de 2007 de Gas Turbine
World. Ambos basados en estudios del DOE US entre mediados de 2006 y mediados de 2007:
PC-Sub
PC-Super
11,88
12
NGCC
11,48
10,63
9,74
10
8
7,79
6,40
6,33
6,54
6
4
2
0
Avg IGCC
PC-Sub
PC-Super
Agosto 2007
NGCC
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
5. Costes
COSTES DE PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EN
FUNCIÓN DEL COMBUSTIBLE
Cambio de
combustible
G
I
C
C
Combustible
Consumo esp.
(kJPCS/kWh)
Precio comb.
(€/GJPCS)
Coste
parcial
(€/MWh)
Coste
total
(€/MWh)
GNCC
9375
7,20
67,51
67,51
GN auxiliar
389
7,20
2,80
Carbón
2582
2,46
6,36
Coque
6941
1,89
13,10
22,26
Datos medios reales de
ELCOGAS del año 2007
41
1.
PRODUCCCIÓN DE H2 A PARTIR DE GASIFICACIÓN DE
COMBUSTIBLES.
2.
CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CO2 (CAC)
3.
LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo
Combinado).
4.
UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN
COPRODUCCIÓN DE H2 Y ELECTRICIDAD.
5.
COSTES
6.
ACTIVIDADES DE I+D+i
42
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
EUROPA –
País
BG
CZ
DK
FI
FR
GE
Localización
Maritsa lignite basin
Ledvice/ Northern
Bohemia
Kalund
Amagervaerket/
Kopenhagen
Nordjyllandvaerket,
Aalborg
Meri Pori
Le Havre/Atlantic
coast
Spreetal/Saxony
Jänschwalde/Brand
enburg
Ludwigshafen/
RhinelandPalatinate
Northrhine-Westfalia
Wilhelmshaven/
Lower Saxony
Irsching/Bavaria
Duisburg/Northrhine
Westfalia
Proyectos planificados de captura y almacenamiento de CO2 a escala comercial
Tipo
Fecha
planta
?
IGCC
2013 PC
Tec.
captura
CO2
Pot.
capturado
(MW)
(Mt)
Pre-comb
650
3,43
Post-comb
660
3,94
País
IT
2013 PC
Post-comb
600
3,58
Oxyfuel
350
2,09
2013 PC
Post-comb
470
2,81
2015 CFB
Oxyfuel
560
3,35
2014 PC
Post-comb
800
4,78
2011 IGCC
Pre-comb
1000
5,28
2012 PC
Oxyfuel
300
1,79
1000
5,28
450
2,38
?
500
2,99
?
530
1,70
Post-comb
400
2,39
?
2012
PC
IGCC
Pre-comb
polygen
2014 IGCC
2014 USC
?
NGCC
2015 USC
Pre-comb
Fuente: CCS Proyects in Europe, Mayo 2008, Bellona
NO
PO
ES
NL
UK
Torrevaldaliga
Calabria
Karstø/nr Stavanger
Mongstad/Mid
Norway
Blachnowia, nr.
Warsaw
Lagisza
Siekierki/Warsaw
Location unknown
Location unknown
2012 PC
? PC
2011 NGCC
CO2
Pot.
capturado
(MW)
(Mt)
Post-comb 660
3,94
Oxyfuel
660
3,94
Post-comb 400
1,28
2014 NGCC
Post-comb
500
1,60
Pre-comb
150
0,79
?
Oxyfuel
Oxyfuel
?
460
480
500
400
2,75
2,87
2,99
2,39
Eemshaven
2011
Pre-comb
1200
4,14
Eemshaven
Maasvlakte/
Rotterdam
Maasvlakte/
Rotterdam
Teeside
Hatfield
Killingholme
Ferrybridge
Tilbury
Kingsnorth
Peterhead/Scotland
2011
?
1600
9,56
?
1080
6,45
2011 USC
Post-comb
800
4,78
2009
2010
2011
2011
2013
2015
?
Pre-comb
800
Pre-comb
900
Pre-comb
450
Post-comb 500
Post-comb 1600
Oxyfuel
1600
Pre-comb
350
4,22
4,75
2,38
2,99
9,56
9,56
1,12
Localización
Tipo
Fecha
planta
?
2012
2014
?
?
IGCC
polygen
CFB
PC
CFB
PC
NGCC/
IGCC
PC
2011 PC
IGCC
IGCC
IGCC
PC
PC
PC
NGCC
Tec.
captura
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
EUROPA –
Proyectos planificados de captura y almacenamiento de CO2 a escala comercial
Fuente: CCS Proyects in Europe, Mayo 2008, Bellona
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
INICIATIVAS FUERA DE EUROPA – Proyectos planificados de
captura y almacenamiento de CO2 a escala comercial
País
Proyecto
Latrobe Valley
AUS ZeroGen
Kwinana
Alberta
CA Saskatchewan
Saskpower
CHI GreenGen
Carson H.P.
TXU
Corpus Christi
Hoyt
Lakes
Mesaba
Colorado
Indiana
Future Gen
US
Port Kalama,
Washington
Compañía
Monash E.
Stanwell
Hydrogen E. (BP-RT)
EPCOR
OPTI/NEXEN
B&W, Air Liquide
TPRI
2011-2018
BP/Edison M.
TFE/TXU
Tondu-Nueces
Excelsior E.
Xcel
Indiana Gasif.
FutureGen Industrial
Alliance
Missipi Power Co.
Pacific Corp
Energy Northwest
Lockwood, Fort
Hunton Energy
Bend, Texas
TX Energy
Louisiana
Fecha
Faustina Hydrogen
Projects LLC
Tipo
planta
GICC
GICA
GICC
GICC
GICC
GICC
GICC
GICC
GICC
Tecnología
Pot. (MW) CO2 capturado
captura
PRE-GICC
PRE-GICA
PRE-GICC
PRE-GICC
12500 tpd
PRE-GICC
100
OXYFUEL
PRE-GICC
300 y 400
PRE-GICC
13700-16400 tpd
PRE-GICC
PRE-GICC
GICC PRE-GICC
2012-14
GICC PRE-GICC
GICC PRE-GICC
300
2012
GICC PRE-GICC
250
GICC PRE-GICC
GICC PRE-GICC
500
GICC PRE-GICC
2x300
GICC PRE-GICC
2x600
GICC
PRE-GICC
Poligen
GICC PRE-GICC
16000 tpd
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS.
PROYECTOS RELACIONADOS CON H2
ALCO2
Estudios para determinar posibilidad de almacenamiento
geológico de CO2 en las proximidades de la planta GICC de ELCOGAS.
CARNOT
Estudios de pre-ingeniería para una nueva planta GICC basada
en la experiencia de la planta de ELCOGAS, con y sin producción de H2.
PSE CO2
Instalación de una planta piloto (14 MWt) de producción de H2
con separación de CO2 integrada en el GICC existente en Puertollano
HYDROSEP
Mejorar la adaptación de procesos GICC para la producción
de H2 por medio del desarrollo de tecnologías basadas en adsorbentes y
membranas, para reducir costes en la captura de CO2.
SPHERA
Investigación industrial en diferentes tecnologías de producción,
almacenamiento, distribución y utilización de hidrógeno.
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS. PROYECTO CARNOT
Parameter
Fuel Type
ELCOGAS design
CARNOT design
CARNOT design with
CO2 capture
Coal and petcoke
(50% wt)
Coal and petcoke
(50% wt)
Coal and petcoke
(50% wt)
22,55
24,41
24,41
LHVfuel (MJ/kg)
ISO
Site
ISO
Site
Site
Gas Turbine (MW)
200
182.3
291.0
281.1
279.4
Steam Turbine (MW)
135
135.4
193.6
186.8
171.6
Total Gross (MW)
335
317.7
484.6
467.9
451.0
Total Net (MW)
300
282.7
414.2
399.8
342.3
Gross
Net
Gross
Net
Gross
Net
EfficiencyLHV( %)
47.12
42.2
52.1
44.5
45.2
34.3
Heat RateLHV (kJ/kWh)
7,647
8,538
6,908
8,086
7,959
10,486
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS. PROYECTO PSE-CO2
CARBÓN + COQUE
GASIFICACIÓN
Gas
Bruto
SISTEMA
FILTRACIÓN
PURIFICACIÓN
Y DESULFURACIÓN
183.000 Nm3/h
Gas limpio
2% del flujo total
(2000-5000 Nm3/h)
22.6 bar
130ºC
60.5 %CO
22.1% H2
Vapor MP
Gas
Limpio
Gas enriquecido en H2
37,5 % CO2
50,0 % H2
3,0 % CO
REACTOR SHIFT
(HT+LT)
(¿Ácido vs. Dulce?)
CO + H2O → CO2 + H2
100 t/d
CICLO
COMBINADO
CO2
¿SH2?
H2 bruto
77,4% H2
6,5% CO2
2,9% CO
SEPARACIÓN CO2
Gas Combustible
Y AZUFRE
1,3bar
DEPURACIÓN
(¿Química vs. Física?)
HIDRÓGENO
(UNIDAD
H2
5 t/d
PSA)
99,99%
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS. PROYECTO PSE-CO2
OBJETIVOS
Demostrar la viabilidad de la captura de CO2 y producción de H2 en un GICC que
emplea combustibles fósiles sólidos y residuos como fuente de alimentación principal.
Obtener datos económicos suficientes para escalar el proyecto a la capacidad total de
producción de gas de síntesis del GICC de Puertollano.
PARTICIPANTES Y PRESUPUESTO
ELCOGAS – UCLM – Ciemat – INCAR CSIC
18,5 M€
COORDINACIÓN
El proyecto de la planta piloto en el GICC de Puertollano es parte de una iniciativa
española, “Tecnologías avanzadas de conversión, captura y almacenamiento de CO2”,
y se coordina junto con otros proyectos relacionados:
Proyecto # 2 Consiste en la construcción de una planta piloto (20 MW) para investigar la
captura de CO2 con la tecnología de oxycombustión. Se construirá en El Bierzo, NO de
España. CIUDEN
Proyecto # 3 Consiste en el estudio y regulación del almacenamiento geológico de CO2 en
España. IGME
Proyecto #4 Consiste en el análisis de la conciencia pública acerca de las tecnologías de
CCA. CIEMAT
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS. PROYECTO PSE-CO2
PLANTA PILOTO DE CAPTURA DE CO2 Y PRODUCCIÓN DE H2
Unidad de
conversión
CO a CO2
1
gas de
síntesis
Punto nº
1
Gas de
Nomenclatura
síntesis
3
4
CO2
Gas rico
producto
en H2
2
shifted gas
5
6
7
Gas de
Gas rico
H2
producto
cola
en H2
H2
%
21.9
49.7
0.2
79.3
79.3
99.99
53.7
CO
%
60.5
2.9
0.01
4.7
4.7
4 ppm
11.4
2.7
37.3
95.2
0.5
0.5
%
13.6
8.7
0.02
13.9
13.9
N2
%
Leyenda
(balances estimados de materia y energía - resultados preliminares)
1.0
0.7
-1.0
1.0
Ar
%
0.3 1
0.7 2
4.5 3
0.5 4
0.55
H OPunto%nº
CO2
Dulce
2
Gas
shift
Acondicionamiento de
gas
2
HDesignación
ppm
2S
COS ppm
H2
%
Q
Nm3/h
CO
%
P
bar
CO2
%
T
ºC
H2S
ppm
Punto nºppm
COS
--
---6
Gas de 8shifted 21 CO2
Gas
12
3 rico Gas
3 rico
--H2
en H2
síntesis
gas
producto
en H2
producto
0.2
-----21.9
50.0
0.2
79.9
79.9
99.9
3610
5653
2197
3534
1413(1)
795(1)
60.4
3.1
0.01
4.9
4.9
4 ppm
19.8
15.9
1.65
15.6
15.6
2.7
37.5
99.8
0.05
0.05
-126
45
40
40
40
12
8
21
3
3
--
Unidad de
Separation de
CO2/H2
3
CO2 producto
Gestión de CO2
gas rico en H2 4
Gestión de H2
5
0.12
---7
Gas
-- de
cola
-53.7
605(1)
11.4
0.12
Unidad de
Purificación de H2
(PSA)
6
H2 producto
7
--
1
7
0.2 2
-- 3
-- 4
-- 5
-- 6
--Gas rico3498
Gas rico
Q
Nm /hGas de 3600Gas 5606CO 2 2108
1400 H 2 795 Gas de605
Nomenclatura
síntesis
shift
producto
en H 2
producto
cola
en H 2
P
bar
19.8
15.9
14.4
14.4
H2
%
19.7
50.0
0.2
80.3
80.3
99.9
53.7
T
ºC
135
45
40
40
CO
%
54.2
2.5
0.01
4.0
4.0
4 ppm
11.4
CO 2
%
2.7
37.9
95.4
0.5
0.5
-0.12
N2
%
12.0
8.5
0.02
13.7
13.7
Ar
%
0.9
0.6
-1.0
1.0
--H 2O
%
10.5
0.5
4.4
0.5
0.5
--H 2 S ppm
6961
5097
13500
3
3
--COS ppm
1140
5
-----Q
Nm 3 /h
4006
5648
2222
3508
1400 (1)
795 (1)
605 (1)
P
bar
23.6
19.7
1.65
19.4
19.4
T
ºC
138
45
40
40
40
gas de cola
Ácido
3
50
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS. PROYECTO PSE-CO2
2006
ACTIVIDAD
1
1
COORDINACIÓN
2
ESTUDIO CONCEPTUAL
2
2007
3
4
1
2
2008
3
4
1
2
2009
3
4
1
2
2010
3
4
1
2
2012
2011
3
4
1
2
3
4
1
2
2.1 Análisis de procesos
2.2 Definición del proceso
2.3 Análisis tecnológico de alternativas
3
CONSTRUCCIÓN IPP
3.1 Ingeniería de detalle
3.2 Compra y suministro materiales
3.3 Construcción y puesta en marcha
4
ESTUDIOS GENERALES
4.1 Modelización
4.2 Predicción combustión
5
ENSAYOS EN IPP - 1ª FASE
5.1 Definición de ensayos
5.2 Ejecución de ensayos
5.3 Caracterización operación
5.4 Ensayos adicionales
6
ENSAYOS EN LABORATORIO
6.1 Definición
6.2 Acondicionamiento
6.3 Ejecución de ensayos
6.4 Análisis de resultados
6.5 Ensayos adicionales
7
ENSAYOS EN PEQUEÑA INST.
7.1 Diseño y acondicionamiento
7.2 Ejecución de ensayos
7.3 Análisis de resultados
7.4 Ensayos adicionales
8
ANALÍTICA DE GASES
9
EVAL. RESULTADOS - 1ª FASE
10 DIVULGACIÓN DE RESULTADOS
11 ENSAYOS - 2ª FASE
12 EVAL. RESULTADOS - 2ª FASE
51
3
4
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS. PROYECTO PSE-CO2
Localización de la planta piloto de CO2 e H2
Ciclo Combinado
Separación de Aire
Gasificación
Planta piloto para
captura de CO2 y
producción de H2
52
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS. PROYECTO PSE-CO2
Localización de la planta piloto de CO2 e H2
53
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS. PROYECTO PSE-CO2
Situación detallada de la planta piloto de CO2 e H2 - Mayo 2008
• Ingeniería básica – Realizada – 2007
• Ingeniería de detalle – Contratada a Empresarios Agrupados - 2007
• Suministro Unidad de Aminas y Purificación de H2 – Contratado a
Linde – Enero 2008
• Suministro Catalizador – Contratado a Johnson Matthey – Enero 2008
• Suministro Reactores – Contratado a Técnicas Reunidas – Marzo 2008
• Suministro Sistema de Control – contratado a Zeus Control S.A. –
Mayo 2008
• Puesta en Marcha y Operación – Acuerdo con UCLM – Mediados 2009
54
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE ELCOGAS
6. Actividades I+D+i
ACTIVIDADES DE ELCOGAS.
PLAN DE INVERSIONES EN I+D+i
Reducción de emisiones de CO2 con uso de combustibles
fósiles
Producción de H2 por gasificación de combustibles
fósiles
Diversificación de combustibles y de productos
Otras mejoras medioambientales
Optimización de procesos GICC
Divulgación y diseminación de resultados
55
PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICACIÓN.
LA OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE
PUERTOLLANO.
ELCOGAS S.A.
Francisco García Peña
56