¿La solución para los grandes consumidores industriales de energías fósiles?
Por René Aga Van Zeebroeck, Senior de SECOT Bizkaia
(Versión abreviada del artículo original publicado en el Nº 488 de la revista INGENIERIA QUIMICA de junio 2007. También disponible en INGENIERIA QUIMICA ONLINE, http://www.alcion.es/. Requiere suscripción)
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Ha aumentado fuertemente la conciencia en la sociedad, de que el cambio climático es un problema prioritario, y que se necesitan urgentemente grandes cambios y esfuerzos para limitar las emisiones de gases con efecto invernadero (GEIs). Prueba de ello es el eco que tuvieron en los medios de comunicación los datos alarmantes, dados a conocer por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) en su 10ª Sesión a principios de este año en Paris. Ha quedado demostrado que las concentraciones atmosféricas globales de los GEI han aumentado notablemente como resultado de las actividades humanas y sobrepasan actualmente con mucho los valores preindustriales. El crecimiento del CO2, que es el GEI antropogénico más importante, ha sido más fuerte en los últimos 10 años que en el periodo de 1960-2005, desde que se comenzaron a realizar mediciones directas de la atmósfera. La causa primaria del aumento de la concentración del dióxido de carbono en la atmósfera desde el periodo preindustrial es el uso de los combustibles fósiles. Los autores advierten que, de continuar las emisiones de GEIs a los niveles actuales o más altos, el calentamiento aumentará y producirá muchos cambios en el sistema climático global durante el siglo XXI. La Comisión Europea, en su Memorando del 15 de Febrero 2007 “Climate Change and EU’s Response” (MEMO/07/58), coincide plenamente con el Informe del IPCC.
El panorama para España no es esperanzador. En la 12ª Reunión de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, en Noviembre 2006, en Nairobi, se dieron datos que demuestran que en España las emisiones de GEIs aumentaron un 49% entre 1990 y 2004, lo cual sitúa a nuestro país entre los más atrasados en las acciones contra el Cambio Climático, solo superado por países como Turquía con el 72,6%. Y la previsión es que aumenten en un 53,6 % en el horizonte 2008-2012, comparado al 15%, el objetivo del Protocolo de Kyoto. Se prevé que España tendrá que comprar derechos de 100 millones de toneladas de CO2 hasta 2008-2012.
La preocupación por el cambio climático ha motivado a la Comisión Europea a fijar como objetivo para 2020 una reducción de los gases con efecto invernadero (GEIs) como mínimo del 20 % sobre el nivel de 1990 y de hacer un esfuerzo para llegar una reducción del 30%. Así viene en el “Paquete de Energía y Cambio Climático” (“Energy and Climate Change Package”) dado a conocer el 10 de Enero 2007. Entre las medidas más importantes para las próximas décadas se citan los combustibles fósiles limpios, es decir con aplicación de tecnologías de captura y secuestro del carbono por los grandes consumidores industriales de combustibles fósiles y especialmente en las grandes centrales térmicas de carbón. Las industrias intensivas en energía son responsables del 45-50% de las emisiones de CO2 en la UE. Se incluyen centrales térmicas, productores de calor y vapor, refinerías de petróleo, siderurgias, cementeras e industrias cerámicas y de vidrio, fábricas de pasta y papel. La UE es consciente de la necesidad de activar y promover la investigación a nivel internacional sobre estas tecnologías, para conseguir el liderazgo y no quedar descolgado de los EEUU, líderes mundiales en el tema a través de su Departamento de Energía (DOE).
El ya citado IPCC, empezó desde 1990 a producir toda clase de informes y publicaciones, de los cuales algunos se han convertido en documentos de referencia. Es sobre todo el caso de su informe, IPCC Special Report - Carbon Dioxide Capture and Storage, terminado en septiembre de 2005, que es de gran utilidad para políticos, gobiernos, investigadores científicos, geólogos, ingenieros industriales, etc. El presente artículo está basado en su mayor parte en este Informe, completándolo con algunos nuevos desarrollos y proyectos concretos.
Los EEUU han mostrado ya desde hace algún tiempo un gran interés por el CCS, porque la mitad de la energía producida en este país proviene del carbón Por ejemplo, la MIT Carbon Sequestration Initiative (CSI), fundada en el año 2000, es un consorcio industrial constituido para investigar las tecnologías de captura y almacenaje de carbono, que permitiría seguir usando combustibles fósiles. Actualmente tiene 16 sponsors: Alstom Power, American Electric Power, American Petroleum Institute (API), Aramco Services, Chevron, Electricité de France (EDF), EPRI, ExxonMobil, Ford Motor Company, General Motors, Marathon Oil, Peabody Energy, Schlumberger, Shell, Southern Company and Vattenfall. Por otra parte, el API (Instituto Americano del Petróleo), cosponsor del CSI, lanzó un programa Desafío de la Acción Climática en el que considera para 2012 nuevos caminos para reducir la intensidad de los GEI's. El Departamento de Energía (DOE) de los EEUU sacó ya en 1999 un informe "Carbon Sequestration Research and Development", que trazó una hoja de ruta que fijaba prioridades de investigación. El gran problema a resolver y condición de su aplicación era que debía ser competitivo con otras opciones de reducción de GEIs.
Un hecho importante fue la creación oficial, en Washington DC el 25 de Junio de 2003, del Carbon Sequestration Leadership Forum (CSLF). Tiene una duración de diez años. Se trata de una iniciativa internacional que se centra en el desarrollo de tecnologías mejoradas y eficientes en costes. El CSLF tiene actualmente 22 socios de 21 países y la Comisión Europea. El CSLF es actualmente el ente reconocido para la aprobación de los proyectos desde que en la reunión de Roma en enero de 2004 varios proyectos le fueron presentados para su aprobación. En Melbourne, en septiembre de 2004, se trazó una hoja de ruta tecnológica - CSLF Technology Roadmap. El reconocimiento del CSLF fue reforzado por el G8 cuyos Miembros, en su reunión en Gleaneagles, proclamaron un plan de acción urgente - Gleaneagles Plan of Action 2005 –que quiere acelerar el desarrollo y comercialización de las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono, soportando los objetivos y actividades del CSLF e invitando a la Agencia Internacional de la Energía - IEA – a colaborar con CSLF en talleres de trabajo, estudios, etc.
El ya citado IPCC Special Report tiene como objeto concreto la evaluación de la madurez de la tecnología, la percepción pública, los impactos medio ambientales y la seguridad, etc. Ha sido elaborado por un gran número de autores de países industrializados, países en desarrollo, países en transición económica y organizaciones internacionales. Además ha sido revisado por más de 200 expertos, individuales y representantes de gobiernos, de todo el mundo. Es sin duda un informe de gran trascendencia, que trata del proceso de la separación del CO2 de fuentes industriales y energéticas de gran capacidad, el transporte a un lugar de almacenamiento y un aislamiento de la atmósfera de larga duración.
Métodos de captura de CO2 (Fuente IPCC)
De forma general, se consideran 3 tipos básicos de captura de CO2: la postcombustión, la precombustión y la combustión oxidative (oxyfuel). Están representados esquemáticamente en la figura. Aspectos importantes a considerar para la selección del método son: la concentración de CO2, la presión del gas y el tipo de combustible. Con la tecnología actual de la post-combustión y pre-combustión se podría captar un 85-95% del CO2 producido en una central térmica. Sería en teoría posible obtener recuperaciones mayores, pero el coste sería prohibitivo, porque los equipos de separación tendrían que ser mucho más grandes y consumirían bastante más energía. Se está llevando a cabo investigación para obtener grados más altos de integración de los sistemas y una mejor eficiencia y reducción de costes de todos los métodos.
La Captura Precombustión se aplica en la fabricación de fertilizantes y en la producción de hidrógeno. Las etapas de la precombustión son más complejas y costosas pero la separación se facilita porque la concentración del CO2 en el gas obtenido es mayor. En este método el combustible primario reacciona, en un reactor reformador, con vapor de agua y aire, u oxígeno, para producir una mezcla de CO y H2, llamado gas de síntesis. A continuación, en el llamado reactor shift, se produce la reacción entre el CO formado y el vapor, produciendo H2 adicional y CO2, que luego se separan. El hidrogeno obtenido puede usarse, para generar energía eléctrica o calor (produciéndose únicamente vapor de agua), para la síntesis de amoniaco, para la producción de fertilizantes o para los hidroprocesamientos en las refinerías de petróleo. El método es de aplicación a los IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle). Según el Informe del IPCC, la captura del CO2 aumenta el coste de producción del hidrógeno entre un 5% y un 30% aproximadamente.
La Combustión “Oxyfuel”, también llamada Precombustión-Oxicombustible, usa oxígeno enriquecido en una planta de separación de aire para la combustión del combustible primario, y por consiguiente el gas de combustión contiene principalmente vapor de agua y CO2. Los sistemas oxyfuel pueden en teoría captar todo el CO2 producido, pero la necesidad de instalar tratamientos adicionales del gas para eliminar óxidos de azufre y de nitrógeno hace bajar la recuperación. En su aplicación a calderas de vapor y en sistemas de turbina de gas, la tecnología está en fase de demostración o investigación, a pesar de que la tecnología de separación de oxígeno a gran escala ya es comercial.
Nuevos métodos o métodos mejorados de captura de CO2, combinados con sistemas avanzados de generación eléctrica y con nuevos diseños de procesos industriales, reducirán probablemente los costes de captura y los consumos energéticos. Según el Informe del IPCC se estima que los costes de captura de CO2 podrían reducirse en los próximos 10 años en un 20-30%, a condición que se mantienen los esfuerzos de I+D para desarrollar nuevas tecnologías, y que estas se comercialicen.
Aplicaciones Industriales del CO2 capturado. Aparte del almacenamiento geológico y el almacenamiento en océanos, existe la posibilidad de usar el CO2 capturado en la industria o como alimentación en procesos químicos que producen productos con valor añadido, pero no se espera que contribuyan en medida significante a la reducción de emisiones de CO2. Además esta fijación no es en general para periodos muy largos, ya que al final del ciclo del producto este puede liberar de nuevo el CO2. En el Informe del IPCC se citan dos opciones: Lo que llaman “carbonatación mineral”, que consiste en convertir por reacción química el CO2 en carbonatos inorgánicos, y el uso industrial directo del CO2, o como materia prima para la producción de productos químicos varios. La carbonatación mineral produce sílice y carbonatos estables durante largo tiempo y por lo tanto pueden ser depositados en minas de silicatos adecuadas o reutilizados en la construcción. Sin embargo este último reuso es pequeño comparado a la cantidad producida. El proceso de carbonatación es lento, por lo que debe ser acelerado para ser eficaz y viable como método de fijación. La tecnología de carbonatación mineral de silicatos naturales está todavía en fase de investigación, pero algunos procesos usando residuos industriales están ya en fase de demostración. Un inconveniente de este método es que la energía consumida sería del orden del 30-50% de la planta de captura. En otras palabras, un sistema CCS con carbonatación mineral requeriría entre el 60 y 180 % más de energía por KWH que una central térmica típica sin captura o carbonatación mineral.
El CO2 es también una materia prima en procesos químicos y biológicos, tales como la producción de urea y de metanol. Hay otras aplicaciones directas como en la industria de la horticultura, la refrigeración, los embalajes de alimentos, la soldadura, bebidas y extintores. El consumo mundial de CO2 es del orden de 120 millones de toneladas al año. Los dos tercios se usan para la producción de urea que se usa principalmente en la fabricación de fertilizantes. En la mayoría de los casos este método no es eficaz para la mitigación del cambio climático, dado que en general el producto obtenido se degrada al cabo de un tiempo relativamente corto, en días o meses, y el CO2 es reenviado a la atmósfera. Además las cantidades de CO2 captadas son pequeñas comparado al total de las emisiones de CO2.
Imagen virtual del Proyecto FutureGen (Fuente DOE, USA)Proyectos de investigacion y desarrollo. El Departamento de Energía del Gobierno de los EEUU (DOE), financia nueve proyectos de investigación de captura y secuestro de CO2 de centrales térmicas de carbón con un total de 24 millones de dólares. El programa, dirigido por el National Energy Technology Laboratory, tiene como objetivo desarrollar tecnologías de secuestro, seguras, efectivas y de bajo costo, dentro de los 3 métodos: precombustión, postcombustión y oxi-combustión. Además, el DOE anunció a finales de Octubre de 2006 su intención de financiar durante los próximos 10 años con 450 millones de dólares un programa de 7 ensayos a gran escala para el desarrollo de tecnologías de secuestro de carbono en los EEUU. Socios del programa son empresas privadas de Australia, China, India, Japón, Corea del Sur y los EEUU. Los resultados serán aprovechados por el proyecto FutureGen, de gasificación del carbón. Este último es una asociación pública-privada del DOE con 12 empresas, sin ánimo de lucro, constituida en 2005 para construir la primera planta integral de generación eléctrica a partir de carbón, con emisión cero de CO2. Los socios del proyecto son: American Electric Power (AEP), USA; Anglo American llc, UK; BHP Billiton (Australia); China Huaneng Group, China; CONSOL Energy Inc USA; E.ON U.S., filial de E.ON A.G., Alemania; Foundation Coal Corporation, USA; Peabody Energy, USA; PPL Corporation, USA; Rio Tinto Energy America, USA; Southern Company, USA; Xstrata Coal, Australia.
En la Unión Europea el CCS está incluido en los Programas Marco: FP3 (1990-1994), FP4 (1994-1998), FP5 (1998-2002) y FP6 (2002-2006).
Un proceso novedoso es el proceso biológico de CO2 Solution, una empresa de Québec, Canadá. Se trata de un proceso biológico para capturar el CO2 producido en la producción de cemento Portland. El proceso transcurre en un bioreactor mediante una enzima que acelera en medio acuático la transformación de CO2 en iones de bicarbonato. Estos sirven para generar una sustancia calcárea, una materia prima que puede reintroducirse en el proceso de fabricación del cemento.
Proceso biotecnológico de captura de CO2 (Fuente COR Solutions Inc.Conclusión. La aplicación de la captura y secuestro de CO2 por medios clásicos en los sectores que emiten grandes cantidades de CO2 no es la panacea, sobre todo si se instala en plantas existentes, porque aumenta considerablemente el consumo energético. Por desgracia, en el estado actual de la tecnología, no se ven a corto plazo otras soluciones realmente eficaces, por lo que se dedican grandes esfuerzos de I+D orientados a mejorar los procesos, a optimizar la integración de las operaciones, a aprovecharse de las ventajas de escala y de una localización adecuada, a usar la biomasa como materia prima, etc. En sectores industriales, con menores emisiones de CO2 que las centrales térmicas y situados en lugares alejados para el almacenamiento geológico económico y seguro, es preciso disponer de nuevas tecnologías, más sofisticadas, de captura y de secuestro químico del CO2 que aseguran su fijación durante al menos décadas. Algunas de estas tecnologías, por ejemplo para el sector del cemento, están ya en fase de desarrollo.
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