Captura de CO2

Actualmente, existen tres métodos de captura de CO₂ en fase comercial, de desarrollo y de optimización que pueden ser aplicables a grandes focos emisores:

Captura antes de la combustión (pre–combustión): el CO₂ es eliminado de forma previa a la combustión. Para ello se produce, a partir de combustibles fósiles o no, una mezcla gaseosa (denominada “gas de síntesis” o “singas”) compuesta fundamentalmente por H₂, monóxido de carbono (CO) y H₂O. El gas de síntesis es tratado convirtiendo el CO en CO₂ utilizando agua y posteriormente se separa el CO₂ dejando el H₂ como combustible a utilizar para la generación de energía eléctrica (turbinas de gas adaptadas, pilas de combustible, etc.).
Captura durante la combustión (oxi–combustión): el combustible es quemado directamente con O₂ en vez de con aire, generando fundamentalmente CO₂ y vapor de agua que se separa por condensación para obtener una corriente de CO₂ prácticamente puro. Actualmente se estudian dos variantes: realizar la combustión de forma directa mediante el O₂ que ha sido separado del aire mediante una unidad de separación de gases atmosféricos (ASU), o realizar la combustión de forma indirecta con transportadores sólidos de O₂ (técnica conocida como Chemical Looping Combustion–CLC) utilizando para ello dos lechos fluidos circulantes separados interconectados entre sí.
Captura después de la combustión (post–combustión): el CO₂ es eliminado de los gases de escape tras la combustión del combustible con aire de forma convencional. Para ello se utilizan las diferentes técnicas de separación de gases atmosféricos antes mencionadas siendo una tecnología que puede ser aplicable a las centrales térmicas actualmente en operación.

Fuente: Elaboración propia

La figura anterior sintetiza los distintos sistemas de captura de CO₂ y combustibles aplicables.

Los tres métodos de captura de CO₂ pueden aplicarse para cualquier combustible de origen fósil, como Gas Natural, fuel y carbón, y para biomasa, excepto la oxi–combustión, que en la actualidad es aplicable para biomasa y carbón solamente; si bien existen diferencias notables en el principio de captura del CO₂ y en el principio de combustión seguido (combustión directa de Hidrógeno, combustión con aire directa o combustión directa con Oxígeno por separación previa del aire). Las tres vías permiten obtener una corriente de CO₂ más o menos concentrada (superior al 95%).

Captura de CO₂ en pre–combustión

La separación del CO₂ se inicia en la descarbonización del combustible previa a su combustión mediante técnicas de gasificación del “compuesto de tipo carbonoso” (carbón o biomasa) o de reformado con vapor del agua. Tras estos procesos de descarbonización, a partir del “compuesto de tipo carbonoso” se genera una mezcla gaseosa compuesta principalmente de H₂ y CO₂, los cuales hay que proceder a separar para dejar libre el H₂ que se introducirá en la cámara de combustión para su uso posterior.

Son dos los procesos de gasificación del carbón, de la biomasa o del “compuesto de tipo carbonoso” utilizados para producir gas de síntesis. En el primero se realiza la oxidación parcial del mismo:

Compuesto de tipo carbonoso + O₂ ↔ CO + H₂ + Impurezas

En el segundo se realiza el reformado del “compuesto de tipo carbonoso” con vapor de agua:

Compuesto de tipo carbonoso + H₂O ↔ CO + H₂ + Impurezas

Siendo las impurezas: cenizas, óxidos de Azufre y Nitrógeno, Cianuros, etc.

Tras limpiar de impurezas el gas de síntesis, se provoca el “shifting” o reacción gas–agua en un convertidor catalítico, obteniéndose H₂ como combustible gaseoso y CO₂ como residuo gaseoso:

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂

El proceso de captura de CO₂ es similar al de post–combustión e independiente del “compuesto de tipo carbonoso”, salvo en las etapas de purificación del gas de síntesis que hay que introducir para tratar carbón y petróleo, puesto que producen mayor número de impurezas que en el caso del Gas Natural. En todo caso, la separación del CO₂ se produce antes de la combustión del H₂ en una turbina de gas adaptada a las características de este combustible. La siguiente figura recoge el esquema de la tecnología de captura de CO₂ en pre–combustión.

Fuente: Elaboración propia

Si bien se puede utilizar cualquiera de entre los distintos sistemas de concentración de CO₂, el más idóneo para su utilización en pre–combustión es el de “absorción física”, puesto que las condiciones en que se encuentra el gas tras el proceso de gasificación del compuesto de tipo carbonoso, alta presión (entre 40 y 70 bares) y alta concentración de CO₂ (aproximadamente 40%) son las requeridas para este proceso, con lo que se aumenta el rendimiento del proceso global.

Captura de CO₂ en oxi–combustión

Existen dos rutas para realizar la captura de CO₂ durante la combustión. La “oxi–combustión” o “aportación de O₂ separado del aire antes de la combustión” y la tecnología “Chemical Looping Combustion (CLC)” o “combustión indirecta”.

Aportación de O₂ separado del aire antes de la combustión

Se aporta oxígeno enriquecido obtenido en una unidad de separación de aire (ASU: Air Separation Unit), utilizando como materia prima el aire atmosférico, al proceso de combustión del combustible primario. Similar a una caldera de combustión clásica, tras la combustión se obtienen como gases de escape vapor de agua y CO₂.

Debido a la ausencia de N₂, y para evitar alcanzar temperaturas muy elevadas en la cámara de combustión, se reinyecta parte de los gases de combustión (mayoritariamente CO₂) en la cámara. Como resultado, se obtiene una corriente prácticamente pura de CO₂. No obstante, para asegurar la combustión de todo el combustible se inyecta exceso de O₂, el cual pasa a formar parte de la corriente de gases de salida perjudicando el balance final.

Esta tecnología permite capturar prácticamente el 100% del CO₂ producido y recuperar pérdidas por radiación, lo que disminuye el volumen de caldera necesario y la superficie de recuperación de calor. La principal problemática surge debido al mayor flujo de calor en el hogar de la caldera y a las altas temperaturas existentes en su interior, por lo que los materiales del interior del hogar han de tener requisitos técnicos superiores a los de los materiales de sistemas de combustión convencional.

La mayor penalización energética de esta técnica viene representada por la unidad de separación de aire, al consumir una gran cantidad de energía y disminuir la eficiencia de la planta. La siguiente figura recoge el esquema de la tecnología de captura de CO₂ en oxi–combustión.

Fuente: Elaboración propia

Chemical Looping Combustion (CLC)

Proceso de combustión indirecta que evita el contacto directo entre combustible y comburente. Mediante un material portador (óxido metálico) se transporta el O₂ del aire al combustible. Consiste en dos reactores de lecho fluidizado interconectados como puede apreciarse en la siguiente figura. El primero consiste en un “reactor de reducción” o “reactor de combustión”, en el que el óxido metálico aporta el Oxígeno necesario para la combustión del combustible, reduciendo el metal. El metal reducido en el primer reactor es transferido al segundo reactor, “reactor de aire” o “reactor de oxidación”, donde se vuelve a oxidar antes de retornar al primer reactor, tomando el Oxígeno directamente del aire. Con ello se completa el ciclo que constituye este sistema de combustión. La siguiente figura muestra el principio del ciclo Chemical Looping Combustion (CLC).

Fuente: Zero Emissions Platform

El combustible, Gas Natural o gas de síntesis obtenido de la gasificación de “compuestos de tipo carbonoso” procedentes o del carbón mineral o de la biomasa, pero siempre en estado gaseoso, reduce el óxido metálico a metal durante su combustión y produce una corriente de gases de escape constituida por H₂O y CO₂ en el reactor de combustión, la cual tras la condensación del agua se convierte en una corriente prácticamente pura de CO₂.

Este sistema permite obtener el CO₂ de forma separada sin necesidad de consumos adicionales de energía para el proceso de separación.

Los óxidos metálicos utilizados han de tener suficiente ratio de reducción y oxidación, y poseer suficiente resistencia para limitar la degradación. Los metales propuestos como posible aplicación son Hierro, Níquel, Cobalto, Cobre, Manganeso y Cadmio. Las ecuaciones que rigen el proceso son:

MeO + CH₄ ↔ Me + 2 H₂O + CO₂

El gas de salida del reactor de combustible tiene CO₂ y H₂O, consiguiéndose CO₂ casi puro por condensación del vapor de agua.

Me + (1/2) O2 ↔ MeO

Captura de CO₂ en post–combustión

Se denomina “secuestro de CO₂” porque consiste en retirar el CO₂ de la corriente de gases de salida de la cámara de combustión de cualquier tipo de instalación de combustión convencional. La separación del CO₂ se inicia tras la captura y retirada de este gas de los gases de combustión, concentrando el CO₂ mediante cualquiera de los métodos de separación de gases atmosféricos antes descritos que puedan ser susceptibles de ser utilizados para separar este gas de la corriente de gases de escape. El resto de gases, tras secuestrar el CO₂, se liberan a la atmósfera, mientras que el CO₂ es almacenado para su reutilización posterior y/o almacenamiento definitivo.

Este sistema de captura de Dióxido de Carbono puede ser acoplado a cualquier tipo de sistema de combustión convencional mediante la instalación de los equipos constituyentes del sistema de captura, sin realizar modificaciones importantes en la instalación de la que se pretende secuestrar el CO₂ producido durante la combustión.

Su instalación es similar a la de los dispositivos de eliminación de los gases NO_x y SO_x, de las partículas volátiles y de otras sustancias contaminantes de los gases de escape, y se realiza de forma secuencial y en serie tras la caldera de combustión, situando los sistemas de aprovechamiento térmico de los gases de escape y los sistemas de limpieza de los gases de escape antes indicados.

La corriente de gases de combustión limpios que finalmente acceden a los sistemas de captura y concentración de CO₂ en post–combustión, contienen H₂O vapor y N₂ mayoritariamente, y de forma minoritaria CO₂ y O₂, saliendo dos corrientes principales, una enriquecida y la otra empobrecida en CO₂. La siguiente figura recoge el esquema de la tecnología de captura de CO₂ en post–combustión.

Fuente: Elaboración propia

Si bien la captura y concentración de CO₂ normalmente se hace en un solo proceso, separarlos en dos, tal y como se ha hecho a lo largo de este subcapítulo, permite estudiar ambos conceptos por separado y analizar las diferencias operativas de aplicar las tecnologías de extracción de CO₂ antes, durante y después de la combustión del hecho en sí de proceder a su concentración final en una corriente de CO₂ enriquecida. De esta forma se comprende mejor su aplicabilidad, las diferencias

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