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