TECNOLOGÍA. ¿El carbón como recurso energético "renovable"?

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Aunque el proceso de hidrógeno "azul" crea CO2, la planta autónoma que utiliza un reactor de cambio de agua-gas asistido por membrana (MAWGS) significa que el 100% se captura fácilmente . Mejor aún, el uso de biomasa significa que la planta logra emisiones negativas. La eficiencia general del proceso es un impresionante 69%. 

15 julio 2022.- A medida que continúan los problemas de seguridad energética en el mundo, nos vemos obligados a pensar de manera más pragmática sobre la transición energética. La seguridad energética es fundamental para mantener una economía saludable capaz de mejorar miles de millones de vidas en todo el mundo y, al mismo tiempo, invertir fuertemente en energía limpia.

Europa está sintiendo el aguijón de la crisis energética de manera particularmente aguda. Los precios del gas natural han estado en niveles inauditos durante todo un año y no se vislumbra un final. Aunque es fácil echarle toda la culpa a Putin, el hecho es que la crisis comenzó mucho antes de la invasión de Ucrania. Simplemente hubo una inversión insuficiente en infraestructura de suministro de gas para contrarrestar la eliminación gradual del carbón y la energía nuclear alemana , exacerbada por un invierno relativamente frío de 2020/2021 y una sequía de vientos a fines de 2021.

Figura 1: Evolución reciente del precio del gas natural en Europa con una "x" roja que marca la invasión de Ucrania / FUENTE: TradingEconomics

Ahora, Europa y varios otros países están volviendo al carbón, anteponiendo la seguridad energética a la acción climática . Esta tendencia ilustra el valor de la seguridad energética del carbón, que se distribuye de manera mucho más uniforme en todo el mundo que el petróleo y el gas. Europa, pobre en energía, por ejemplo, tiene 300 años de reservas probadas restantes a las tasas de consumo actuales .

Obviamente, no podemos seguir quemando carbón de la manera convencional. Pero existe una solución que puede ayudar al carbón a compensar gran parte del daño climático que ha causado.

Hidrógeno azul de emisión negativa

En un artículo reciente , proponemos una nueva configuración de proceso de hidrógeno azul basada en la cogasificación de carbón/biomasa. El concepto, ilustrado en la Figura 2 a continuación, convierte una mezcla de carbón y biomasa en hidrógeno con una captura del 100 % de CO 2 y sin otra contaminación del aire . Dado que el 30% de la entrada de combustible es biomasa, esta planta logra emisiones de CO 2 negativas .

Figura 2: Diagrama de flujo de bloques de la planta de hidrógeno de emisión negativa propuesta. ASU = unidad de separación de aire, HGCU = limpieza de gas caliente, MAWGS = cambio de agua-gas asistido por membrana.

Reactor de cambio de agua-gas asistido por membrana (MAWGS)

La tecnología habilitadora clave en esta nueva configuración de planta es el reactor de cambio de agua y gas asistido por membrana (MAWGS). Esta tecnología ha sido de interés académico durante décadas, pero el interés comercial reciente en el hidrógeno azul ha llevado a varias empresas emergentes (p. ej., Hydrogen Mem-Tech ) a comercializar las membranas selectivas de permeación de hidrógeno en el corazón de este concepto .

En el reactor MAWGS, la reacción de cambio de agua-gas de equilibrio limitado, CO + H 2 O CO 2 + H 2 , tiene lugar sobre un catalizador convencional. Sin embargo, el reactor también contiene membranas selectivas de hidrógeno que extraen continuamente el hidrógeno producido, cambiando el equilibrio de la reacción para producir más hidrógeno y lograr una conversión casi completa de CO a CO2 .

La corriente rica en CO 2 que sale del reactor MAWGS contiene solo pequeñas cantidades de CO y H 2 que pueden quemarse con una pequeña cantidad de oxígeno puro de la unidad de separación de aire para producir una corriente de CO 2 presurizado de alta pureza para transporte y almacenamiento. . Fundamentalmente, no hay lugar en esta configuración de proceso donde el CO 2 (o cualquier contaminante del aire como NOx o SOx) se pueda ventilar a la atmósfera.

Beneficios de la cogasificación: Carbón + Biomasa

Agregar biomasa a la alimentación del reactor aumenta el atractivo de este concepto. Al igual que el carbón, la biomasa también ofrece una buena seguridad energética, aunque el potencial técnico de la biomasa producida de forma sostenible es limitado. Es posible una mayor producción de biomasa, pero esto implica impactos de cambio de uso de la tierra que pueden causar problemas de seguridad alimentaria y emisiones indirectas sustanciales de la deforestación en otros lugares .

La cogasificación con carbón permite que la cantidad limitada de biomasa producida de forma sostenible a nuestra disposición se utilice con la máxima eficiencia posible. El motivo del aumento de la eficiencia es que se puede alimentar hasta un 30 % de biomasa con carbón en un proceso de gasificación a alta temperatura y alta presión que mejora la eficiencia y evita problemas con la formación de alquitrán . La biomasa pura no puede gasificarse a temperaturas tan altas porque la ceniza fundida resultante es altamente corrosiva.

Por lo tanto, el carbón maximiza el valor que podemos obtener del suministro de biomasa disponible y, al mismo tiempo, aumenta considerablemente la cantidad de hidrógeno que podemos producir . Además, el carbón ofrece seguridad de suministro para una planta grande que se beneficia de economías de escala dado que la disponibilidad de biomasa puede variar entre temporadas y años.

Resultados tecnoeconómicos

El proceso propuesto logra una eficiencia de producción de hidrógeno sin precedentes del 73 % (los procesos convencionales de conversión de carbón en hidrógeno alcanzan alrededor del 60 %). Sin embargo, sí requiere importaciones de electricidad que ascienden al 4 % del poder calorífico de la entrada de combustible, lo que lleva la eficiencia general a un 69 % todavía muy atractivo .

Los resultados económicos se muestran en la Figura 3 a continuación, donde se comparan diferentes configuraciones de plantas. La planta de referencia utiliza un reactor de desplazamiento de agua-gas convencional seguido de un proceso de captura de CO2 con disolvente y una unidad de adsorción por oscilación de presión para la recuperación de hidrógeno puro.

Figura 3: El costo nivelado del hidrógeno de una planta de referencia (Ref.) usando tecnología convencional y tres configuraciones de proceso usando la tecnología MAWGS. El diseño del proceso que se muestra en la Figura 2 es la configuración de MaxH2. [FOM = costos fijos de operación y mantenimiento, VOM = costos variables de operación y mantenimiento]

1,5 €/kg LCOH

Como se muestra, la inclusión del reactor MAWGS en la configuración MaxH 2 reduce el costo de producción de hidrógeno en un 16 % . Se observan ahorros sustanciales en todos los componentes del costo excepto en los costos variables de operación y mantenimiento (VOM) que incluyen el costo de las importaciones de electricidad antes mencionadas a 60 €/MWh. Los costos fijos y de capital de operación y mantenimiento (FOM) se reducen debido a la mayor eficiencia y la intensificación del proceso que ofrece el reactor MAWGS (cambio, captura de CO 2 y separación de H 2 concentrados en una sola unidad), los costos de combustible se reducen debido a la alta eficiencia del proceso, y se incrementa el crédito de CO 2 por captura de CO 2 biogénico ( 50 €/ton) porque el 100% del CO 2 producido es capturado y almacenado .

…o más barato!

Aunque un coste de 1,5 €/kg para el hidrógeno de emisión negativa ya es muy atractivo, es posible reducir aún más los costes. En la Figura 4 a continuación, se agregan dos casos adicionales, uno en el que eliminamos la contingencia del 30 % que agregamos a la estimación de costos del reactor MAWGS debido a su novedad y otro en el que también consideramos el potencial de las exportaciones de agua caliente (120 °C) para calefacción urbana (valorada en 30 €/MWh). La opción de calefacción urbana es atractiva porque la planta tiene cero emisiones y, por lo tanto, puede construirse lo suficientemente cerca de los centros de demanda para establecer una red de calefacción urbana.

Figura 4: Más reducciones potenciales de costos de la configuración MaxH2 que se muestra en la Figura 3. [DH = calefacción urbana]

Finalmente, si se eleva el crédito de CO 2 por emisiones negativas de 50 €/tonelada a 100 €/tonelada, el coste de producción del hidrógeno baja a 1,06 €/kg, un coste sencillamente imbatible para el hidrógeno bajo en carbono .

Conclusión

La producción a gran escala de hidrógeno azul a partir de la cogasificación de carbón y biomasa puede proporcionar combustible libre de carbono a futuras economías bajas en carbono sin compromiso. Ofrece total seguridad energética, costes imbatibles y emisiones negativas de CO 2 .

Los principales obstáculos para esta tecnología incluyen:

1. Ampliación exitosa de la tecnología MAWGS . Se espera que las membranas selectivas a la permeabilidad al hidrógeno estén disponibles comercialmente pronto.
2. La disponibilidad de redes de transporte y almacenamiento de CO 2 . Los combustibles sólidos producen grandes flujos de CO 2 y es necesario almacenarlos a gran escala para minimizar los costos.
3. Fuerte sentimiento anti-carbón . La comunidad del cambio climático está fuertemente en contra de cualquier tecnología relacionada con el carbón y puede oponerse incluso a una tecnología tan atractiva como esta.

Si se pueden superar estos tres desafíos, podríamos ver un renacimiento muy inesperado del carbón en Europa y un uso continuado de este abundante recurso energético en todo el mundo. Solo que esta vez, el carbón realmente ayudará al clima.