EOI · 09/06/2011 · http://a.eoi.es/5x

1. 1

2. Captura y transporte de CO2
Javier Alonso
Subdirector de Portafolio Tecnológico
9 de junio de 2011
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3. Índice/Contenido
1. Cambio climático y captura de CO2
2. Bases técnicas
3. Tecnologías y procesos de captura del CO2
4. Transporte del CO2
3

4. Cambio climático y
captura del CO2
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5. Cambio climático y captura del CO2
Niveles de CO2 en el aire y cambios detectados
Cambios en temperatura, nivel del mar y
cobertura de nieve del Hemisferio Norte
Existe un consenso generalizado en relacionar el aumento de niveles de CO2 en la atmósfera y el aumento
de temperatura media del aire, lo que a su vez conlleva otros efectos
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6. Cambio climático y captura del CO2
Qué es y qué aporta la CAC
¿Qué es la captura, transporte y almacenamiento de CO2?
Uso de energía primaria (EJ/año), (Mtep/año)
“La captación y el almacenamiento de dióxido de carbono (CO2) (CAC)
33.404
constituyen un proceso consistente en la separación del CO2 emitido por la
28.632 industria y fuentes relacionadas con la energía, su transporte a un lugar de
23.860 almacenamiento y su aislamiento de la atmósfera a largo plazo”
19.088 Informe especial del IPCC ”La captación y el almacenamiento de CO2”
14.316
9.544
¿Qué aporta la CAC?
4.772
1. Los científicos han confirmado que hay que estabilizar la concentración
Fuente: IPCC de CO2 en la atmósfera en 450 ppm de CO2 para no superar en más de
2ºC la temperatura media global y dar lugar a un cambio climático
Emisiones de CO2 (MtCO2/año) irreversible
2. Se espera que la demanda mundial de energía se incremente al doble
en el año 2030, siendo la cobertura de las energías renovables tan sólo
el 30% de la misma
3. Al tiempo, para cumplir el objetivo citado, se deberán reducir las
emisiones al 50% de las que se producirían si no se hiciera nada
4. Dado el enorme reto que ello supone, todos los medios de reducción de
emisiones de CO2 en la atmósfera resultan imprescindibles y, entre
ellos, según reconoce el IPCC, la CAC
Fuente: IPCC
La CAC puede contribuir del orden del 20-30% de la brecha a salvar, contribuyendo a reducir
las emisiones en 9-16 Gt de CO2 hacia el año 2050 6

7. Cambio climático y captura del CO2
Itinerario tecnológico en España (PTCO2)
Se prevé que en España se lleve a cabo alguno de los proyectos del Programa Europeo de Plantas de
Demostración, dentro de la nueva “European Industrial Iniciative” promovida por el SET Plan
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8. Bases técnicas
8

9. Características relevantes del CO2
Propiedades físicas y características del CO2
En estado gaseoso es:
 Incoloro, inodoro e incombustible
 Inerte, no tóxico, aunque en concentraciones
elevadas irrita y asfixia (por desplazamiento del
O2)
 Soluble en agua
 Gas de efecto invernadero
 Más denso que el aire a presión atmosférica
(1,98 kg/m3 frente a 1,2kg/m3 del aire)
 Altamente compresible.
Desde el punto de vista físico,
alcanza sus puntos triple y crítico a
parámetros básicos (p,T) bastante
manejables de cara a procesos a
escala industrial
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10. Bases técnicas
Volumen del CO2 vs profundidad: supercriticidad
En estado supercrítico (punto crítico:
31ºC; 73 bar):
 Se difunde a través de sólidos como un gas:
 No moja superficies.
 No sufre fuerzas capilares.
 Se filtra por poros muy pequeños.
 Es disolvente como un líquido:
 Características disolventes variables con
la presión.
 Fácil de separar del soluto y casi no deja
residuos.
 Es inerte, accesible, barato y fácil de
manejar.
Teniendo en cuenta el gradiente geotérmico, a profundidades de 800 m el CO2 se encuentra en
condiciones supercríticas
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11. Tecnologías y procesos de
captura del CO2
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12. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Tecnologías para los objetivos de 2020
Fuente: AIE
 En todos los casos, se trata de producir una corriente concentrada de CO2 que
pueda transportarse fácilmente a un lugar de almacenamiento seguro
 En general, los retos actuales estriban en los saltos de escala necesarios, así como
en la confirmación de la idoneidad de ciertas fases de los procesos
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13. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Captura Posterior a la Combustión
2.El solvente cargado con CO2 se transporta a
otra torre donde se regenera mediante cambios
Gas without CO2 de T ó P y libera el CO2 4.Para contrarrestar las
pérdidas de actividad del
solvente, se introduce
siempre nuevo solvente
1. El gas que contiene el CO2 se
pone en contacto con un solvente 3. El solvente regenerado se envía de nuevo al
líquido capaz de capturar el CO2 proceso de captura de CO2
 La absorción de CO2 se basa en la captura selectiva del CO2 contenido en la mezcla de gases al
entrar éstos en contacto con un líquido absorbente
 Los aspectos críticos de este proceso son el consumo de energía y el consumo de absorbente (nº de
ciclos antes de su agotamiento)
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14. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Captura Posterior a la Combustión
Aminas
 Los reactivos más comunes en los procesos de absorción química están basados en disoluciones
acuosas de alcanolaminas, como la monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), trietanolamina
(TEA) y metildietanolamina (MDEA). También se utilizan variaciones y modificaciones de estas
aminas como la alanina, el metilaminopropanol o la piperazina y compuestos con nombre comercial
como “Econamine FG”, “Kerr-McGee MEA”, “ExxonMobil Flexsorb” o “BASF piperazines”
2RNH 2  CO2  H 2O  RNH 3 2 CO3
RNH 3 2 CO3  CO2  H 2 O  2RNH 3  HCO3
Reacción Directa 2RNH 2  CO2  RNHCOO  NH 3 R
(CH2)3-C-NH-COO-)
(CH3-CH2-CH2-CH2-NH-COO-)
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15. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Captura Posterior a la Combustión
Chilled Ammonia (Amoniaco enfriado)
 Reacción entre carbonato y bicarbonato
 La absorción de CO2 con carbonato de
amoniaco tiene lugar a temperaturas <20ºC
formando bi-carbonato de amoniaco, lo que
precipita en sólido. Se concentra el sólido y
pasa al torre de regeneración. Se aplica un
poco de calor y presión para separar el CO2
 El proceso de enfriamiento captura los
contaminantes tales como SO2, NOx, HCl,
H2SO4 y partículas 2(NH4)+ + CO32- + CO2(g) + H2O  2(NH4)+ +
 La energía de la reacción para separar el 2HCO3-
CO2 es, en principio, bastante inferior a la de
MEA
 Tecnología más incipiente que la de las
aminas
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16. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Captura Posterior a la Combustión
Consideraciones para la captura post-combustión
 Baja concentración de CO2 en el gas de salida (5-15%) y presencia de otros gases, O2 e
impurezas (SOx y NOx )
 Necesidad de purificación de gases antes de la separación del CO2 para evitar la
contaminación del producto absorbente
 Menor rendimiento de la central por el consumo del proceso de captura
 Tecnologías comerciales (aminas), aunque a escala más pequeña (200-500t/día) y
aparición de nuevos absorbentes (Chilled Ammonia)
 La mejora de eficiencia y la integración son claves
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17. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Captura Posterior a la Combustión
Mejora de la eficiencia, como primera medida
 Actualmente, las centrales de carbón son competitivas y con elevada disponibilidad
 Además, los suministradores de equipos son contrastados y con gran experiencia
 Sin embargo, los rendimientos medios a nivel mundial actuales son mejorables
 Las mejoras tecnológicas se orientan hacia la obtención de rendimiento cercanos al
50%+ (Proyecto COMITES700), paliando así en gran medida la pérdida de eficiencia
por la captura
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18. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Plantas piloto o de demostración de captura del CO2 posterior
a la combustión
Plantas Piloto - Aminas
 Warior Run Power Station, AES, (EE.UU. 2000): 50.000T/año
 Boundary Dam y Universidad de Regina, Saskpower (Cañada): 4T/día
 Shady Point, AES: 65.000T/año CO2 para alimentación
 Archer Daniels Midland. Dow/Alstom (EE.UU) Brindisi, ENEL
 Compostilla, Endesa (UE): 300kWt
 Maasvlakte, E.ON (UE): 0,5MWe
 Staudinger, Siemens, E.ON (UE): 0,5MWe
 Hitachi, Elactrabel, E.ON (UE): 1MWe
 Esbjer plant(Proyecto Castor) (UE):1T/h
 Brindisi, ENEL (UE) – 1MW
 Wilhelmsshaven, E.ON, Flour, (UE): 5MW
Esbjer
 Heyden, E.ON, Cansolv (UE):7 Mwe
 Niederaussem, RWE: 300kg/día
 Nanko (JAPÓN, 1991): 600 tCO2/año
 SUMIMOTO (JAPÓN, 1994): 50.000 tCO2/año
 Plant Barry, Southern, EPRI, MHI (EE.UU): 25Mwe
Plantas Piloto - Chilled Ammonia
 Pleasant Prairie, We Energies, EPRI (EE.UU): 1,7MW
Mountaineer
 Karrlshamn, E.ON (UE): 3 MWe
 Mountaineer , AEP, EPRI, Alstom (EE.UU): 20MWe 18

19. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Captura Previa a la Combustión
Esquema del proceso
 Preparación de combustible: Molienda y presurización de combustible
 Fraccionamiento de aire: Producción de O2 para la gasificación y N2 para el ciclo
combinado con el fin de diluir el gas enriquecido en H 2 obtenido
 Gasificación: Gasificación del combustible a alta presión (40bar) mediante
oxidación parcial con oxígeno para producir gas de síntesis
 Tratamiento de Gases: Producción de un gas enriquecido en CO2 y H2.Separación
posterior del CO2
 Acondicionamiento del gas: Dilución de gas enriquecido H2 con N2 y H2O para adaptarlo a las
condiciones exigidas por la turbina de gas
 Ciclo Combinado: Producción de electricidad sin emisión de CO2
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20. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Captura Previa a la Combustión
 La gasificación transforma combustibles sólidos en gas combustible (gas de síntesis), mediante
oxidación parcial con aire, oxígeno o vapor de agua. Este proceso es conocido desde hace mucho
tiempo, habiéndose instalado el primer gasificador comercial en 1839.
 El gas combustible obtenido está compuesto principalmente de monóxido de carbono (CO) e
hidrógeno (H2), y conserva la mayor parte de la energía del combustible inicial para su combustión
posterior en una turbina de gas.
 Ese gas sintético pasa por un conversor (shift) para transformar el CO en CO2 por medio de la adición
de vapor de agua, obteniendo un gas rico en CO2 y H2.
 Reacción de desplazamiento (shift): CO + H2O -> CO2 + H2
 Una vez separado el CO2 , el H2 se utiliza como combustible en un ciclo combinado de generación
eléctrica y/o bien se podría derivar a usos alternativos 20

21. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Captura Previa a la Combustión
Ventajas:
 La separación de gases se realiza en una corriente de
gas a alta presión (es posible usar absorción física, de
muy bajo consumo energético y de mucho menor tamaño
y coste)
 Todos los componentes están demostrados a gran escala
(especialmente en el sector químico) excepto la turbina
de H2
 Flexible respecto al combustible y respecto al producto
energético (electricidad, CO-H2, H2, combustibles de
automoción con bajo C/H)
 Prácticamente todos los estudios independientes le
asignan el mínimo incremento de costes debido a la
captura de CO2
Inconvenientes:
 La tecnología de referencia (Gasificación Integrada en
Ciclo Combinado - GICC) no ha penetrado en el mercado
de generación, siendo hoy en día la más cara (sin
captura)
 Las pocas centrales existentes de GICC no han
demostrado aún buena disponibilidad
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22. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Plantas piloto o de demostración de captura del CO2 previa a
la combustión
 Great Plains: Planta de gasificación de carbón
North Dakota - 3.3 Mt CO2 /año inyectados en
el campo petrolífero Weyburn (Canada)
 Elcogas – Planta piloto de 20MW – slip stream
a GICC
 Nuon –Planta piloto en la GICC de Buggenum
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23. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Captura en proceso Oxifuel
Oxicombustión, diagrama de proceso Planta Piloto de 30MWth
Vatenfall
• El O2 para la combustión en vez de aire a fin de disponer de un gas de salida enriquecida en CO2 a
niveles hasta 90-95%
• En fase de Investigación y Desarrollo, más incipiente que la post y pre-combustión.
• Clave: El conocimiento de los materiales
• Ventaja: Reducción de volúmenes de hogar y calderas y los costes de separación y compresión
• Necesita: unidad de fraccionamiento de aire y un sistema de recirculación del gas combustible
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24. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Otras tecnologías en grado más incipiente
Proceso de Carbonatación/Calcinación Planta de Carbonatación/Calcinación
Gas Natural Fenosa
Gas sin
CO2 CO2
MeCO3
650-700 ºC >900 ºC Sorbente
fresco
Carbonatación Calcinación
MeO
Calor
Gas con
+
CO2 Sorbente Oxigeno
gastado
• Captura del CO2 a alta temperatura. Del gas de combustión se captura el CO2 mediante una
carbonatación con óxido de calcio a 650ºC (o con oxido de Li/alcalinos).
• Se separa el CO2 en una reacción posterior de calcinación y el óxido de calcio queda disponible
para un nuevo ciclo
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25. Tecnologías y procesos de captura del CO2
Plantas piloto o de demostración de captura del CO2 por
oxicombustión
 Jupiter Oxygen, Hammond 15MWt (2006)
 B&W, Aliance Ohio, 15MWt (2006)
 Lacq Francia, Total 10MWe (2008),
 Schwarze Pumpe Vattenfall, 30MWt (2009)
 Oxy-Coal UK, Doosan Babcock 40MWt (2009)
 Alstom, Windsor, Conecticut, 15MWt (2009)
 Callide A, CS Energy, Australia 80MWt (2010)
 Cuiden, Bierzo, Foster Wheeler, Cuidad de
Energía) 20MWt (carbón pulverizado) y 30MWt
(Lecho Fluido) – en construcción
Schwarze Pumpe 30MWt (Coste >80M€)
Doosan Babcock 40MWt
25

26. Transporte del CO2
26

27. Transporte del CO2
Concepto
27

28. Transporte del CO2
Líneas de transporte de CO2 de larga distancia existentes (EE.UU.)
28
Fuente: Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, IPCC

29. Transporte del CO2
Aspectos fundamentales
 Reaprovechamiento de tuberías de transporte de fluidos (metano) en campo y
yacimientos depletados (EOR, ENHANCED-OIL-RECOVERY)
 Tuberías cuyo diseño es “ad-hoc” y por tanto DFP (Designed-For-Purpose)
 La experiencia en transporte por tubería de CO2SC (Supercrítico) se basa en CO2 de
origen natural y prácticamente no existe experiencia en CO2SC de origen
antropogénico
 Aspectos previos al inicio de cualquier proyecto CAC:
 Disponer de una localización concreta para el futuro Almacenamiento
Geológico de Dióxido de Carbono
 Características de los focos emisores de CO2 y técnicas de captura, que
definen las impurezas que incorporará el CO2 a transportar
 Identificación de los trazados mas favorables y declaración de utilidad pública
para la conducción
 Disponer de simuladores del sistema integrado, tanto en régimen transitorio
como en operación en continuo de las plantas productoras 29

30. Transporte del CO2
El CO2 “real”
Fuente: European Pipeline Research Group (EPRG)
30

31. Transporte del CO2
Factores de diseño
Planteamiento del ceoducto: “point-to-point” o asociado a una red de ceoductos
Especificación del producto: % pureza de la corriente de CO2
Diseño mecánico y fractura 
Proximidad a zonas densamente pobladas
Brittle failure Ductil failure
Distancia entre válvulas de corte y golpes de ariete
Necesidad de trampas de rascadores, “In-Line-Inspection, ILI”
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32. Transporte del CO2
Peligrosidad y difusividad
Posibilidad de despresurizado controlado y venteos: los ceoductos entran dentro
del régimen de comercio de emisiones
CO2 EXPOSICION EFECTOS EN SERES
Concentracion HUMANOS
en el aire (%
V/V)
Varias horas Dolor de cabeza dificultad para
2 respirar cuando hace algún
esfuerzo leve
1 hora Dolor de cabeza leve,
3 sudoración y dificultad para
respirar en reposo
En unos pocos Dolor de cabeza, mareos,
4–5 minutos aumento de la presión arterial,
la respiración incómoda
1 – 2 minutos Molestias auditivas y visuales
? 16 minutos Dolor de cabeza, dificultad para
6
respirar (disnea)
Varias horas Temblores
Unos pocos Perdida de conciencia
minutos
Entre 1.5 Dolor de cabeza, Incremento
7 – 10 minutos y 1 pulsaciones , respiración
hora entrecortada,mareos,
sudoración, respiración rápida
Entre 1 minuto mareos, contracciones
>10 – 15 y varios musculares severas, pérdida
minutos del conocimiento
En 1 minuto Pérdida de la actividad
17 – 30 controlada, inconsciencia,
convulsiones, coma, muerte
Efectos sobre la salud de concentraciones elevadas de CO2
Fuente: DNV, European Pipeline Research Group (EPRG) 32

33. Transporte del CO2
¿Planteamiento futuro?
El modelo de gestión del CO2 está por definir, siendo el transporte la etapa de enlace entre
emisores y sumideros
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34. Muchas gracias
Esta presentación es propiedad del Gas Natural Fenosa. Tanto su
contenido temático como diseño gráfico es para uso exclusivo
de su personal.
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