Puertollano, 6 de Junio de 2011
Día Mundial del Medio Ambiente
Resultados pruebas Planta Piloto de
Captura de CO2 y producción de H2
Francisco García Peña
Director de Ingeniería e IDi
1
ÍNDICE
1. Presentación del proyecto
2. Lecciones aprendidas y presupuesto final
1.
Pruebas r ealizadas
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
4. Costes
5. Conclusiones
2
ÍNDICE
1. Presentación del proyecto
2. Lecciones aprendidas y presupuesto final
1.
Pruebas r ealizadas
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
4. Costes
5. Conclusiones
3
1. Presentación del proyecto
Planta Piloto de Captura de CO2 y
Producción de H2. Hechos
Compañía
ELCOGAS, S.A.
Ubicación
Central Térmica GICC Puertollano
Gas alimento
Gas de carbón a 20-24 bar
Tamaño
14 MWt (2% del gas total producido en la planta GICC)
Tecnología de captura
Precombustión. Captura > 90%. No está previsto almacenamiento
de CO2.
Presupuesto
Construcción y Puesta en Marcha: 13,5 M€
Marco
PSE, cofinanciado por el MICINN y JCCM
Inicio
2005
Puesta en servicio
Octubre 2010
Consejería de Educación,
Ciencia y Cultura
4
1. Presentación del proyecto
Planta Piloto de Captura de CO2 y
Producción de H2. Diagrama de bloques
Compresor reciclo
CARBÓN + COQUE
GASIFICACIÓN
Gas
bruto
2% del flujo total
(3,600 Nm3/h)
22.6 bar
130ºC
60.5 %CO
22.1% H2
SISTEMA
FILTRACIÓN
183,000 Nm3/h
PURIFICACIÓN
Y DESULFURACIÓN
Gas
limpio
CICLO
COMBINADO
Gas enriquecido en
H2
37,5 % CO2
50,0 % H2
3,0 % CO
Vapor MP
REACTOR SHIFT
DULCE /ÁCIDO
CO + H2O → CO2 + H2
CO2 +H2S
100 t/d
H2 bruto (80% de pureza)
SEPARACIÓN CO2
(Química, aMDEA)
40%
Gas de cola
1,3 bar
DEPURACIÓN
HIDRÓGENO
(UNIDAD PSA)
H2 puro (2 t/d)
99,99% H2 a 15 bar
5
1. Presentación del proyecto
Planta Piloto de Captura de CO2 y Producción de H2. Construcción
Vista 3D
Vista general actual
6
Pilot plant diagram process (I)
Shifting unit (design data for sweet capture)
Flow
kg/h
P
bar
T
ºC
CO
%
H2
%
CO2
%
H2O
%
Coal gas
3,677
19.8
126
60.45
21.95
2.66
0.29
Shifted gas to
separation unit
8,732
17.3
274
1.68
28.37
21.34
43.26
IP saturated
steam to feed
5,055
34.0
243
0.0
0.0
0.0
100
IP saturated
steam to feed
IP steam
General view of Shifting Unit
Coal gas
N2 (start-up)
Desulphuration
reactor
Pre-heater
Shifting rectors
SHIFTED GAS TO SEPARATION UNIT
7
7
Pilot plant diagram process (II)
Cooling stage
Cond. Separator
From shifting
unit
Separation unit
Absorber
LP steam
CO2 product
Syngas
separator
Process
Cond.
Y
Shifted
gas
Y
40 %
H2 to PSA
Rich H2 gas
60 %
CO2
separator
(design data for
sweet capture)
General view of
Separation Unit
CO2
Stripper
LP steam
to reboiler
Flow
kg/h
P
bar
T
ºC
CO
%
H2
%
CO2
%
H2O
%
Shifted gas to
absorber
5,318
15.9
45
2.9
49.7
37.3
0.7
Process
condensated
3,414
15.9
45
0.0
0.0
0.0
100
CO2 product
4,185
1.5
40
0
0.18
95.32
4.47
H2 to PSA
481.7
15.2
40
4.63
79.37
0.5
0.48
Rich H2 gas
1,190.1
15.6
40
4.63
79.37
0.5
0.48
LP Steam to
reboiler
4,763
4.1
144
0.0
0.0
0.0
100
8
8
Pilot plant diagram process (III)
PSA unit (design data for sweet capture)
Flow
Nm3/h
P
bar
T
ºC
CO
%
H2
%
CO2
%
1,431
15.2
40
4.63
79.37
0.5
H2 product
795
14.7
43
0.0004
99.99
0.0001
Tail gas
636
1.3
35.9
10.42
53.58
1.13
H2 from separation
unit
H2 product
Tail gas drum
Adsorbers
H2 from
separation unit
General view of PSA unit
Rich H2 gas
(40 % flow)
Tail gas
9
9
1. Presentación del proyecto
Planta Piloto de Captura de CO2 y Producción de H2.
Principales hitos
Principales hitos de la planta piloto
Dic 2008
Permiso inicio construcción
Ago 2009
Inicio montaje mecánico
May 2010
Inicio puesta en marcha
Ago 2010
Permiso de puesta en servicio concedido
13 Sept 2010
1ª tonelada CO2 capturada
Oct 2010
Fin puesta en marcha
Nov 2010
Superada prueba continuada de 100 horas con gas dulce
Feb 2011
Finalizada etapa de caracterización con gas dulce
Abril-Junio 2011
2ª etapa pruebas caracterización con gas ácido
10
1. Presentación del proyecto
11
ÍNDICE
1. Presentación del proyecto
2. Lecciones aprendidas y presupuesto final
1.
Pruebas r ealizadas
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
4. Costes
5. Conclusiones
12
2. Lecciones aprendidas y presupuesto final
Proyecto PSE-CO2
Principales dificultades/aprendizaje en fase de proyecto:
• Retraso en la financiación: MICINN y la JCCM.
• Tiempo de entrega de los equipo principales: 12 - 14 meses.
• Ingeniería de detalle: Condicionada por los suministradores.
• Construcción: Retrasada por los permisos de seguridad (planta ubicada en una
planta en funcionamiento).
• Puesta en marcha: Escasa disponibilidad de personal experimentado.
PRESUPUESTO TOTAL PROYECTO PP CO2 H2 ACTUALIZADO AL AÑO
(K€ del año presupuestado)
EQUIPOS
SERVICIOS
PERSONAL
OTROS
16.000
14.000
547
521
241
535
531
235
521
542
1.088
508
877
508
877
4.875
5.156
8.441
8.300
8.173
2009
2010
2011
509
833
12.000
514
693
10.000
2.383
8.000
6.000
4.010
13.000
13.000
Distribución del
presupuesto
anual
de la planta piloto
13.000
4.000
7.004
2.000
13
0
2005
2006
2007
2008
ÍNDICE
1. Presentación del proyecto
2. Lecciones aprendidas y presupuesto final
1.
Pruebas r ealizadas
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
4. Costes
5. Conclusiones
14
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
Planta piloto captura CO2 y co-producción H2. Pruebas
Realizadas pruebas con gas dulce (modo de operación de diseño de la instalación)
Objeto: caracterización del comportamiento de cada unidad por separado
Planteamiento: Partiendo de unas condiciones de referencia, modificar un parámetro de forma
controlada, volver a las condiciones de referencia, y repetir para otros parámetros
Dulce 1
Dulce 2
Caracterización de la
unidad de purificación de
H2 con gas dulce
Caracterización de la
unidad de separación de
CO2 e H2 (lavado de
aminas) con gas dulce
Inicio Prueba Dulce 2
Dulce 3
Caracterización de la unidad de
reacción gas-agua con gas dulce
700 toneladas de CO2 capturado y 6 toneladas de H2 puro producido hasta la fecha
15
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
Planta Piloto de Captura de CO2 y Producción de H2.
Colaboración con UCLM
COLABORACIÓN CON UCLM
El diseño de pruebas, la operación de la planta y la elaboración de informes
está siendo realizada por nueve ingenieras químicas contratadas por la UCLM
16
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
Dulce 2
Dulce 1
Caracterización de la unidad de
purificación de H2 con gas dulce
Parámetros
Caracterización de la unidad de
reacción gas-agua con gas dulce
Parámetros
Parámetros
[1]: presión del H2 puro o producto
[1]: presión de H2 bruto
[2]: presión del gas de cola
[2]: temperatura de desorción
[3]: temperatura de entrada a la unidad
[3]: temperatura de aspiración de bombas
[4]: factor de operación
[4]: temperatura de gas de entrada a la unidad
de separación
[5]: caudal de entrada a la unidad
Variables de
operación
1): tiempo de ciclo
2): pureza del H2 producto
Dulce 3
Caracterización de la unidad de
separación de CO2 e H2 (lavado de
aminas) con gas dulce
[5]: caudal de entrada a la unidad de
separación
[1]: ratio vapor/gas alimentado a la
reacción
[2]: presión de trabajo de la unidad
[3]: composición del gas de entrada a la
unidad
[4]: temperatura de entrada al primer
reactor
[6]: caudal de circulación de las bombas
Variables de
operación
[7]: presión de desorción
[8]
composición del gas de entrada a la
unidad de separación
1):
temperatura en el lecho del primer
reactor, y a la salida del mismo
2):
conversión total alcanzada en los dos
reactores
3): tasa de recuperación de H2
Variables de
operación
1): eficacia absorción de la disolución de aminas
2): energía requerida en regeneración de la amina
17
14
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
Arranque y control de la unidad:
Facilidad de operación por la integración en GICC. Disponibilidad red nitrógeno.
18
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
¡El grado de conversión es una
variable a considerar!
44
Composición CO2 (%)
Reacción gas-agua (shifting):
XCO total (%)
97,2
97
96,8
96,6
96,4
96,2
96
95,8
95,6
95,4
95,2
95
43,5
43
42,5
42
41,5
41
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
XCO total (%)
Composición CO2
1,6
ratio vapor/gas
Fuga H2
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
75
80
85
90
T
desorción
95
100
105
% Fuga H2
% Fuga CO2
Fuga CO2
Separación CO2-H2:
La temperatura de desorción es
optimizable
0,0
110
(ºC)
19
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
UNIDAD SHIFTING CONVERSIÓN / TEMPERATURA (DULCE)
20,0
20/01/11 17:24-28:35
CO (%)
15,0
10,0
La temperatura de
entrada al segundo
reactor es más alta
de lo esperada
SEGUNDO
REACTOR
5,0
PRIMER
REACTOR
La conversión
alcanzada es
muy similar a la
teórica, aunque
la temperatura
de salida del
reactor es más
alta
Real values
(SWEET3 test)
GENERADOR DE
VAPOR
JM - Fresh
catalyst
JM simulation (01/10/10)
0,0
300
350
400
450
500
550
600
Temperature(ºC)
Johnson Matthey
Selection
High temperature
Fresh
Potential (Johnson Matthey )
Potential (High temperature)
La alta conversión obtenida en el primer reactor (cerca del 95%) hará
considerar la utilización de un solo reactor en el proceso de shifting.
20
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
Comparativa energética diseño vs real (1as Pruebas-Dulce)
Parámetro operación
Diseño
Real
C.G.E shifting
88,6 %
88,0 %
η térmico shifting
75,3 %
73,1 %
Ratio vapor/gas
1,37
1,42
Ratio molar vapor/CO
2,88
2,85
C.G.E aminas
99,9 %
96,9 %
η térmico aminas
71,2 %
69,9 %
7
Ratio Vapor/CO2 producido
0,88 MWh/tn CO2
0,79 MWh/tn CO2
8
C.G.E s+a
88,5 %
85,3 %
η térmico s+a
60,2 %
57,2 %
Tasa recuperación CO2
91,7 %
90,6 %
1
2
3
Shifting
4
5
6
9
10
Aminas
Global
(shifting+aminas)
21
ÍNDICE
1. Presentación del proyecto
2. Lecciones aprendidas y presupuesto final
1.
Pruebas r ealizadas
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
4. Costes
5. Conclusiones
22
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
Comparación costes de captura de CO2
1)
Escalado al 100% del gas de síntesis de la GICC Puertollano a partir de la planta piloto de 14MWt.
2)
Coste de captura de plantas existentes = f (costes de inversión + costes fijos + costes variables de O&M)
Coste CO 2 no emitido, €/t CO 2 =
Coste de añadir la planta de captura
t CO 2 no emitida
3)
Las primeras estimaciones de ELCOGAS ofrecen valores de 25-30 €/ t CO2
4)
Comparación con otros estudios
30 for
ELCOGAS
retrofit
23
Fuente: DOE/NETL CCS RD&D ROADMAP December 2010
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
60
costes CO 2, €/t CO2
Costes Captura CO2 (DULCE)
55
3.000 h
50
3.500 h
45
4.000 h
40
4.500 h
35
5.000 h
30
5.500 h
25
6.000 h
6.500 h
20
7.000 h
15
7.500 h
10
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
eficiencia planta GICC con captura de CO2, %
Estimación de costes en escalado a
1:1 añadiéndolo a GICC existente
Variables
Data
Años de vida útil
25
Euribor
3.0 %
Margen del banco
0.5 %
Factor de escala
0.75
Horas de funcionamiento en modo GICC
6,500 h
Factor de carga media al año
0.92
Precio de la electricidad
40 €/MWh
Eficiencia neta de la planta con captura
33 %
Gas tratado
100 %
24
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
Mínimo precio del H2 puro en función del precio de la electricidad
6
€/Kg
Mejor vender H2
Mínimo precio de H2 por coste fijo de producción
(personal externo y repuestos) dependiendo de las
horas de producción anual.
5
4
60.000
Kg/y
720h
3
90.000 Kg/y
1080 h
120.000 Kg/y
1440 h
2
180.000 Kg/y
2160 h
1
Mejor vender electricidad
420.000 Kg/y
5040 h
0
0
50
€/MWh
100
150
25
ÍNDICE
1. Presentación del proyecto
2. Lecciones aprendidas y presupuesto final
1.
Pruebas r ealizadas
3. Pruebas realizadas hasta la fecha
4. Conclusiones
26
4. Conclusiones
Costes de inversión muy optimizados >> Menores costes de
captura que otras opciones
Pruebas realizadas con éxito. Fácil integración. Puntos de
optimización claros
Shifting: posibilidad de utilizar un único reactor (95 % conversión)
Aminas: responde a lo esperado. Hay margen de optimización
PSA: muy estable
Pruebas gas ácido previstas: 6-10 Junio
A partir de junio 2011: Plataforma versatil para
Investigación, demostración e innovación
27
Puertollano, 6 de Junio de 2011
Día Mundial del Medio Ambiente
Resultados pruebas Planta Piloto de
Captura de CO2 y producción de H2
Francisco García Peña
Director de Ingeniería e IDi
28