Separación selectiva de gases atmosféricos y Captura y Concentración de CO2

Los gases, al igual que los sólidos y los líquidos, se encuentran compuestos de átomos y moléculas. La causa de que un gas sea tal está en sus átomos y moléculas que se encuentran muy separadas y se mueven en todas las direcciones a gran velocidad chocando múltiples veces entre sí. Al igual que los líquidos, un gas no tiene forma ni volumen definidos, adquiere la forma y el volumen del recipiente en el que se encuentra, difundiéndose de forma uniforme.

Los gases se rigen mediante la ecuación de estado del gas ideal, aunque en realidad esta ecuación solo aplica para un gas hipotético que es considerado ideal cuando se encuentra formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética); y en el que la energía cinética es directamente proporcional a la temperatura. Empíricamente, se observan una serie de relaciones proporcionales entre la temperatura, la presión y el volumen que dan lugar a la ley de los gases ideales deducida por primera vez por Émile Clapeyron en 1834, es decir:

Dónde:

P =  Presión absoluta	V =  Volumen
n =  Moles de gas	R =  Constante universal de los gases ideales
T =  Temperatura absoluta	8,314 J/mol·oK = 0,08206 l·atm/mol·oK (l = litros)

Sin embargo, esta ley se cumple a nivel macroscópico con los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal, que son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura. En el caso de gases reales a presión y temperatura cercanas a las normales, así como los que están compuestos por moléculas de varios átomos, el comportamiento puede variar respecto del de los gases ideales, y es gracias a esta diferencia por lo que se puede realizar su separación. Entre otras, las tecnologías actuales utilizan las siguientes propiedades, o sus combinaciones, para separar gases reales:

• Características oxidantes y reductoras.
• Polaridad y/o apolaridad, e incluso en función de variaciones de presión y/o temperatura cambios de polaridad.
• Cambio de fase en función de la presión y la temperatura.
• Tamaño molecular.

Las tecnologías de separación de gases existentes en la actualidad se basan en procesos físico–químicos que aprovechan estas características para conseguir su separación, concentración, almacenamiento y uso para fines industriales y medicinales. Estas tecnologías son tanto más eficientes y rentables económicamente cuanto mayor es la concentración relativa del gas a separar.

Aplicando las tecnologías de Captura y Concentración de CO₂, actualmente en desarrollo e investigación, los rendimientos energéticos del proceso de captura, los grados de concentración de Dióxido de Carbono capturado y los costes económicos incurridos, están frenando su implantación masiva en grandes y pequeños emisores de Gases de Efecto Invernadero (GEI), puesto que en las corrientes de gases de combustión para producir Energía Primaria la concentración del CO₂ suele ser muy baja; ya lo explicaremos más adelante.

Gases Atmosféricos

Llamamos gases atmosféricos a aquellos gases que conforman la atmósfera que nos rodea. La atmósfera que nos rodea es una combinación de gases en proporciones más o menos estables y uniformes que se indican en la tabla que se muestra a continuación. Es una tabla que incluye los diferentes gases que componen varias de las atmósferas más típicas sobre las que aplicar las técnicas de separación de gases de forma industrial, sus proporciones y una imagen representativa de como es la molécula de cada gas que la compone.

La primera es la atmósfera normal, la atmósfera que nos rodea a nivel de superficie terrestre, cuya composición porcentual describe el aire que respiramos de manera standard en todo el mundo, sin considerar zonas boscosas limpias o zonas industriales contaminadas. Aquí empieza a mostrarse que la atmósfera no es uniforme, porque su composición varía a medida que nos alejamos de la superficie terrestre, llegando a ser completamente diferente en distintas capas situadas a diferente altitud, hasta llegar al límite con el vacío del espacio, donde es muy ligera y sutil. Sobre todo debido a la presión que ejerce sobre los cuerpos la cual depende de la cantidad de aire que hay sobre nuestras cabezas en cada momento.

El resto de atmósferas incluidas en la tabla muestran la combinación standard de gases que componen diferentes corrientes de gases de combustión de las tecnologías más representativas de hoy en día a nivel residencial y doméstico, y en la producción de energía eléctrica. en el caso de las asociadas al transporte, se situarían entre ellas, en concreto para combustibles líquidos entre la del Gas Natural y la de la quema de Carbón, incluyendo los motores de Gas Natural donde la quema es similar a la de la caldera de Gas descrita como cuarta atmósfera. Siempre que la combustión sea estequiométrica o se realice con el mínimo exceso de aire posible para que el motor sea lo más eficiente posible.

La segunda atmósfera referenciada es la denominada como ciclo combinado es la que sale directamente por las chimeneas de las centrales de producción de energía eléctrica de este tipo de tecnología. La tercera es la producida en una central térmica de carbón y la cuarta es la emitida por las calderas de gas de nuestros hogares o de la industria. Hay otras atmósferas de este tipo que pueden ser representativas de la emisión de otros gases asociados a la quema de combustibles industriales, si bien proporcionalmente no son representativas.

Analizar las características físicas de los gases atmosféricos, conocer las técnicas industriales aplicables a su separación, estudiar su aplicación a la Captura y Concentración de CO₂ (CCS) para tratar de retirarle de los gases de combustión de las industrias y las centrales de producción de energía eléctrica que utilizan combustibles de origen fósil para su funcionamiento, son los pilares que soportan el punto de partida de esta página. Aquí trataremos de identificar de forma somera el porqué del interés industrial en separar gases atmosféricos utilizando el aire como materia prima para ello, así como la terminología aplicable y las tecnologías de separación y de Captura y Concentración de CO₂ que en la actualidad están en investigación, desarrollo y producción industrial.

Aprovechamiento industrial del aire como fuente de gases

En general, el aire que nos rodea se puede aprovechar tanto para usos químicos como industriales separando de forma física y/o química los gases atmosféricos que lo componen. Así se obtienen N₂, O₂ y otros gases nobles, los cuales, en conjunto o por separado, tienen aplicaciones tecnológicas muy demandadas en la actualidad. Es este interés industrial por los gases que componen el aire atmosférico lo que justifica el desarrollo de las diferentes tecnologías de separación, fundamentalmente por su abundancia y su bajo coste de obtención frente a otras fuentes gaseosas.

El Nitrógeno es, junto con el Potasio y el Fósforo, uno de los tres nutrientes mayoritarios de los vegetales. Estos lo toman del suelo agrícola, donde determinadas bacterias lo fijan del aire combinándolo en moléculas más o menos complejas solubles y asimilables por las plantas. La fertilización artificial requiere aportar Nitrógeno en forma amoniacal, como Nitrato o como Urea. La primera materia prima para la producción de fertilizantes nitrogenados es el Amoníaco (NH₃) que se produce industrialmente a partir del N₂ del aire, por reacción química con el H₂, la principal reacción química que permitió el desarrollo de la industria química, tal y como la conocemos en la actualidad:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

A partir del Amoníaco se obtiene el resto de productos químicos sintéticos que contienen Nitrógeno en sus moléculas. En forma gaseosa, entre otras aplicaciones, sirve para inertizar atmósferas, para evitar degradaciones de tipo oxidativo (envasado en atmósferas inertes), o para eliminar el H₂ del gas de coque. En estado líquido puede emplearse como refrigerante en la congelación de alimentos, en criobiología y en criocirugía. Cuantitativamente puede utilizarse en estado puro o acompañando al O₂ como diluyente en reacciones químicas.

El Oxígeno en concentraciones iguales o superiores a las normales en el aire atmosférico (aire enriquecido) se utiliza como comburente para producir energía por combustión. Se considera enriquecido cuando su concentración es de hasta el 85%, de baja pureza hasta el 95%; y de alta pureza estándar a partir del 98,5% o superior al 99% y hasta el 99,9%. Como oxidante se aplica en las industrias siderúrgica y metalúrgica, tiene un papel importante en la industria química y en la aeroespacial, se utiliza en hospitales, aviación, etc.

El Argón se utiliza en soldaduras «bajo Argón» de aceros inoxidables y de otros metales como el Aluminio, donde el Oxígeno puede producir Óxidos y el Nitrógeno Nitruros. Se utiliza en lámparas especiales. Mezclas de Argón–Oxígeno permiten descarbonatar aceros inoxidables.

El Helio, puede obtenerse del aire, pero se separa más fácilmente del Gas Natural proveniente de algunos yacimientos en los que es componente minoritario. Puede usarse en laboratorios de investigación, en superconductividad, en equipos de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), etc. Siendo su aplicación más conocida la de la industria aeroestática por su poder ascensional como sustituto del H₂.

El Neón se utiliza en buceo mezclado con Helio para obtener atmósferas artificiales que permitan la presurización y despresurización de buceadores y submarinistas. Puede usarse en lámparas y tubos de iluminación artificial (junto con Kriptón y Xenón), para construir equipos de rayos X, etc.

El Hidrógeno se produce mayoritariamente a partir del vapor de agua (electrolisis). Puede obtenerse por reducción de Hidrocarburos y por gasificación del Carbón. Para su comercialización como gas embotellado se prefiere el de origen electrolítico por su mayor pureza y control de calidad en su fabricación.

El Dióxido de Carbono puro se separa preferentemente de los gases de combustión del Gas Natural, debido a que es un combustible que contiene y origina menos impurezas. Se obtiene en grandes cantidades por descomposición de los Carbonatos de las rocas calizas (hornos de cal) y Dolomíticas (fabricación de magnesia calcinada para ladrillos refractarios).

Como puede verse, la separación de gases atmosféricos está plenamente justificada por el uso industrial, médico y farmacéutico de los mismos. Toma como materia prima fundamental la atmósfera normal que nos rodea para obtenerlos, aunque puede aplicarse a otras fuentes de gases y/o procesos químicos menos visibles, los cuales son también fuente de gases valorizables.

Aparte del uso industrial como gas atmosférico, el CO₂ tiene el impacto medioambiental descrito en este blog, donde se describe su mayor importancia debido a su comportamiento como principal GEI puesto que el “Cambio Climático” observado parece ser directamente proporcional al incremento de su concentración atmosférica, por lo que el uso de cualquiera de las tecnologías propuestas para separar Dióxido de Carbono a partir de mezclas de gases puede ser susceptible de ayudar a controlar su incremento provocado a partir de la quema incontrolada de combustibles fósiles como fuente principal de Energía Primaria. Medidas de contención como la aplicación de técnicas de separación industrial de gases atmosféricos pueden llegar a permitir disminuir su emisión atmosférica hasta en un 19% del exceso de emisiones respecto de lo requerido por el Protocolo de Kioto en 2050, lo que convierte a la Captura y Concentración de CO₂ en una de las técnicas disponibles con mayor impacto como contención del problema medioambiental asociado.

Separación de Gases Atmosféricos. Tecnologías

Son muchas las técnicas de ingeniería desarrolladas hasta la fecha que pueden ser aplicadas a la separación de gases atmosféricos. Estas técnicas utilizan algunas de las antes indicadas características físico–químicas que diferencian a los gases reales de los gases ideales. La siguiente tabla recoge aquellas características principales del gas que es utilizada, o que son utilizadas, por los distintos métodos de separación de gases atmosféricos propuestos que aplicando procesos físicos y/o químicos, en desarrollo y en aplicación industrial, o con su combinación son capaces de separarlo.

Principal característica física del gas atmosférico utilizada por cada método de separación

CARACTERÍSTICA DEL GAS UTILIZADA	MÉTODO DE SEPARACIÓN
Carácter Oxidante/Reductor	Absorción
Polaridad	Adsorción
Cambio de Fase	Criogenia
Tamaño molecular	Membrana

Fuente: Elaboración propia

Absorción

Consiste en poner un gas compuesto por la mezcla de varios gases atmosféricos en contacto con un líquido capaz de disolver determinados componentes del gas, el cual queda libre de los mismos. Es decir, el gas a separar interacciona disolviéndose o reaccionando químicamente con el líquido que lo absorbe quitándole de la atmósfera inicial depurándola. La absorción puede ser física o química y depende de si el gas se disuelve en el líquido absorbente o reacciona químicamente con él produciendo un compuesto químico nuevo.

Absorción química. Se realiza mediante un conjunto de procesos industriales que son los más utilizados en la actualidad para la separación de CO₂ de un flujo de gases, siendo una tecnología madura en el campo de la purificación del Gas Natural y de la producción de CO₂ para usos comerciales (industria alimenticia, producción de NH₃ y urea para la producción de fertilizantes).

La base de este proceso es la reacción de una base alcalina, normalmente aminas del tipo Metil Etil Aminas, (MEA), en medio acuoso con un gas ácido, en este caso el Dióxido de Carbono. Esta reacción se produce en un reactor por el que fluye la mezcla de gases que contiene CO₂, siendo la principal ecuación química que rige el proceso de absorción de CO₂ la siguiente:

H₂O + CO₂ + MEA → MEA CO₂^– + H₃O⁺

Tras la absorción, el líquido con Dióxido de Carbono pasa a un segundo reactor, donde se regenera la Amina y se libera el CO₂ a un segundo sistema para su uso y/o almacenamiento posterior. En el proceso de regeneración, las principales ecuaciones químicas que rigen son dos:

H₂O + MEA CO₂^– ↔ MEA + HCO₃^–

H₃O⁺ + HCO₃^– ↔ 2 H₂O + CO₂

Aparte del uso de Aminas como solventes líquidos, existen otros tipos de solventes como el Carbonato Potásico (K₂CO₃), si bien el proceso de captura y regeneración sería similar al descrito para el caso de las Aminas:

K₂CO₃ + H₂O + CO₂ ↔ 2 KHCO₃

Y su descomposiciñon en un nuevo reactor de acuerdo a la reacción complementaria:

2 KHCO₃ ↔ K₂CO₃ + H₂O + CO₂

O con Carbonato Cálcico (CaCO₃) mediante un proceso similar al anterior; si bien, este proceso puede dar lugar a la fijación final del CO2 en sólidos permanentes en el tiempo.

CaO _(sólido) + CO_{2 (gaseoso)} ↔ CaCO_{3 (sólido)}

Incluso combinando el ciclo de captura con K2CO3 y de de CaO, de formaq que:

Absorción física. Se tratan en procesos muy asentados en otros sectores de la industria química, como la depuración del Gas Natural o la síntesis de Amoniaco. A diferencia de la absorción química, este proceso se desarrolla a alta presión, característica que lo hace más adecuado para capturar CO₂ en procesos que contemplen gasificación de combustible, los cuales también se producen a elevada presión. Esta tecnología hace uso de la gran capacidad que tiene el CO₂ para disolverse en determinados líquidos a alta presión, porque la molécula de Dióxido de Carbono cambia su comportamiento a partir de su punto crítico. Este punto‚ definido por una temperatura y presión específicas (31‚1°C y 73‚8 bares)‚ representa el límite más allá del cual cambia su comportamiento.

Adsorción

El proceso de adsorción es resultado de la existencia de fuerzas moleculares insaturadas presentes en la superficie de todo sólido. Cuando un sólido se pone en contacto con un gas, se produce una interacción entre el gas y la superficie del sólido que tiende a compensar estas fuerzas residuales mediante la atracción y retención sobre su superficie de las moléculas del gas. Como resultado se observa una mayor concentración de un determinado compuesto gaseoso en la superficie del sólido que en el seno de la fase gaseosa inicial.

Fuente: Elaboración propia

La adsorción es un fenómeno superficial y como tal, para un determinado gas a adsorber (denominado comúnmente como adsorbato o soluto), dependerá fundamentalmente de la cantidad de superficie del material (llamado adsorbente) accesible a dicho gas, por lo que suelen utilizarse sólidos porosos con gran superficie de contacto disponible para fijar el gas. El área superficial accesible, la distribución y el tamaño de los poros más adecuado para un sistema adsorbato/adsorbente, son los factores fundamentales para el proceso de adsorción y sobre todo para su eficiencia.

Las características principales del proceso de adsorción son:

• Es altamente selectiva.
• Es un proceso rápido.
• Es un proceso normalmente exotérmico.
• Al ser exotérmico, normalmente al aumentar la temperatura disminuye la cantidad adsorbida.

Atendiendo a las fuerzas de interacción entre las moléculas de adsorbente y adsorbato, se acepta la existencia de tres tipos de adsorción. Cuando las fuerzas son de tipo “electrostáticas”, se usa el término “intercambio iónico”. Cuando estas fuerzas son del tipo “dipolo–dipolo”, “dipolo–dipolo inducido” o “fuerzas de dispersión”, se usa el término de “adsorción física” o “fisisorción”. Cuando las fuerzas son “enlaces covalentes” se aplica el término de “adsorción química” o “quimisorción”.

La mayoría de los fenómenos de adsorción son combinaciones de estos tres tipos de adsorción, y muchas veces resulta difícil distinguir la fisisorción de la quimisorción.

Fuente: Elaboración propia

Adsorción por intercambio iónico. En este proceso el soluto y el adsorbente se atraen por “fuerzas electrostáticas”. Los iones del soluto se concentran en la superficie del adsorbente, que se halla cargada eléctricamente con signo contrario a los iones del soluto. Se trata de un proceso a medio camino entre la adsorción y la absorción. Ante dos adsorbatos iónicos iguales en varios factores, pero uno con mayor carga que el otro, suele ser adsorbido el de mayor carga. Para adsorbatos con igual carga, el tamaño molecular es el que determina cuál será adsorbido.

Fuente: Elaboración propia

Adsorción física o fisisorción. El enlace que se establece entre adsorbato y adsorbente se produce mediante “fuerzas de Van der Waals”, de naturaleza relativamente débil. El adsorbato no está fijo en la superficie del adsorbente, sino que tiene movilidad en la interfase y conserva su naturaleza química tras el proceso de adsorción. Se caracteriza por:

• Es una interacción débil.
• Es un proceso exotérmico (las fuerzas de Van der Waals son atractivas).
• La molécula fisisorbida mantiene su identidad ya que la energía es insuficiente para romper el enlace aunque su geometría puede estar distorsionada.
• Es un proceso no especifico ya que las fuerzas que intervienen no lo son y no existe una selectividad marcada entre adsorbato y adsorbente. En general, aquellos gases que son muy polarizables son adsorbidos más fácilmente.
• Se produce en multicapas. Sobre cada capa de gas fisisorbida pueden adsorberse otras capas superpuestas entre sí. Hasta que las fuerzas de interacción del sólido dejan de actuar.

Adsorción química o quimisorción. Sucede cuando hay interacción química entre adsorbato y adsorbente. La fuerza de la interacción entre adsorbato y adsorbente es fuerte, casi como un “enlace químico”. El adsorbato sufre una transformación, más o menos intensa, dependiendo de su naturaleza química. Las moléculas del gas se mantienen unidas a la superficie formando un enlace químico fuerte. Se caracteriza por:

• Se trata de una interacción más fuerte que la fisisorción.
• Las entalpías de quimisorción son mucho mayores que las de fisisorción y del orden de las que se liberan en la formación de enlaces químicos.
• La quimisorción es específica.
• El proceso se detiene tras la formación de una monocapa sobre la superficie. Aunque sólo una capa puede estar quimisorbida puede producirse adsorción física de nuevas capas de adsorbato sobre la primera.
• En general, la quimisorción implica la rotura y formación de enlaces, por lo que la molécula quimisorbida no mantiene la misma estructura electrónica (enlaces) que en fase gaseosa.

Métodos criogénicos/destilación

La separación criogénica del aire es un proceso de producción de gases de alta pureza o licuados y se realiza comprimiendo grandes volúmenes de aire de la atmósfera, que luego son enfriados y licuados, fundamentalmente mediante la aplicación del ciclo de Linde o de Claude. Los primeros trabajos en criogenia fueron llevados a cabo por Humphry Davy y Michael Faraday entre 1823 y 1845.

En general, cuando un gas a temperatura moderada se expande a través de una válvula su temperatura aumenta, pero si su temperatura inicial está por debajo de la llamada temperatura de inversión, la expansión provoca una reducción de temperatura, efecto Joule–Thomson. Tras el enfriamiento y la expansión se produce la licuefacción de los distintos gases atmosféricos de acuerdo a la temperatura alcanzada.

Finalmente, se separan en sus principales componentes mediante destilación. Hay diferentes variaciones en los ciclos de separación criogénica del aire que surgen de las diferencias en los requisitos necesarios para la obtención y el uso al que se destina el/los gases separados por este método. Los productos finales, tras la destilación, son un conjunto de gases líquidos de gran pureza por separado.

Fuente: Elaboración propia

Membranas

La separación de gases a través de membranas se basa en la interacción física o química de los gases con el material de la membrana, provocando que un gas pase a través de ella más rápido que otro. Existen diferentes tipos de membranas en función de los materiales que la componen (biológica o sintética, orgánica o inorgánica), así como en función de su estructura, su disposición física, su modularidad o su escalabilidad.

No obstante, en todos los casos, consisten en una capa de material que permite a una sustancia pasar a través de él, mientras está bloqueando a otra. La selectividad por una determinada substancia se basa en el tamaño de partícula, en la fase del material (líquido, gas) o en la solubilidad. Normalmente la separación se produce en presencia de una fuerza, como una diferencia de presión, temperatura o concentración entre un lado y otro de la membrana.

La difusión y disolución de gases es diferente en función del tipo de material absorbente. Aplicar diferencias de presión a ambos lados de la membrana facilita la permeabilidad. El producto del coeficiente de solubilidad y el coeficiente de difusión determina el grado de permeabilidad. Por el contrario, las membranas no tienen un alto poder de separación y suele ser necesario aplicar varias etapas de separación, o recircular los gases para conseguir su separación de forma adecuada. Y el grado de pureza o concentración requerido.

Aparte de las membranas de separación, existen las de absorción, que utilizan microporos sólidos como superficie de contacto entre un gas y un líquido absorbente. En este caso, la membrana actúa como filtro selectivo y el líquido como absorbente del gas seleccionado.

Fuente: Elaboración propia

Captura y Concentración de CO₂

En principio, cualquiera de los métodos de separación de gases atmosféricos puede ser aplicado como proceso de Captura y Concentración de CO₂, siempre que sea específico para tratar este gas. La problemática principal asociada a su aplicación a instalaciones industriales, domésticas y de producción de energía eléctrica que utilicen la quema de combustibles fósiles como fuente de Energía Primaria, surge por los volúmenes de gases a tratar, por la baja concentración de CO₂ existente en ellos y por el grado de pureza de la corriente final enriquecida en CO₂.

El contenido en CO₂ de los gases de combustión de este tipo de instalaciones varía entre un 3-5% (ciclo combinado de Gas Natural, NGCC) y un 10–15% (central térmica de carbón), acompañado en diferentes proporciones por N₂, O₂ y vapor de agua, entre otros. La composición varía en función del combustible utilizado, Gas Natural (gas) y carbón (sólido). Los combustibles líquidos producen gases de escape con concentraciones de CO₂ intermedias. En calderas de Gas Natural, su composición es próxima al 10% y en motores de combustión interna, cercana al 13%.

Para tener una idea más clara del problema, en general, una central de ciclo combinado de Gas Natural de 400 MWe viene a emitir alrededor de 1.850.000 Nm³/h de gases de escape con una concentración de CO₂ aproximada del 4,5% en peso, lo que equivale a unos 83.250 Nm³/h de CO₂, es decir, alrededor de 163,5 Tm de CO₂ cada hora. Aproximadamente lo mismo que en el caso de una central térmica de 200 MWe. Son grandes focos emisores de gases con baja concentración de CO₂.

Se estima que en la actualidad hay 50.000 plantas de combustibles fósiles en todo el mundo, con más de 2.000 de carbón sólo en China y en su mayoría seguirán en operación durante el período considerado (y muy probablemente hasta 2030–2050). Adicionalmente, se prevé la construcción de 750 nuevas centrales de carbón de aquí a 2030, de las cuales 500 se instalarán en dos de los países con economías emergentes, China e India.

En este marco, y con el grado de desarrollo actual de la tecnologías aplicables a capturar CO₂, la aplicación directa de los distintos sistemas de separación y concentración en estudio y en desarrollo tecnológico a nivel industrial, no siempre es sostenible y viable tecnológica y económicamente, además de que se ajustan a condiciones muy específicas de los gases de combustión, y por tanto del tipo de combustible que se emplee, por lo que son soluciones ad hoc para cada tipo de industria.

En todo caso, los diferentes métodos de captura de CO₂ persiguen la obtención de una corriente final con una concentración de CO₂ suficientemente elevada (>85%) para facilitar su almacenamiento o uso, lo que penaliza energética y económicamente su aplicación, porque hay que tratar una corriente de gases de entrada al proceso de captura de CO₂ muy grande para poder luego separarle y finalmente concentrarlo.

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 tecnológicas y los posibles beneficios a obtener en cada caso.

Concentración de CO₂

Tras la aplicación de los posibles métodos de captura de CO₂ en pre–, oxi– y post–combustión, se procede a su concentración para conseguir una corriente de CO₂ de salida lo más libre de impurezas y de otros gases atmosféricos. La siguiente figura recoge los distintos procesos de separación de gases atmosféricos propuestos en la actualidad para su aplicación en captura y concentración de CO₂.

Fuente: Elaboración propia

En todos los casos, son técnicas suficientemente probadas para la separación selectiva de gases atmosféricos, adaptadas a las características de la captura de CO₂, es decir, a grandes volúmenes de gases a tratar y a concentraciones bajas de CO₂ para alcanzar corrientes de salida con concentraciones de gran pureza de CO₂ (>85%).

Como puede verse, todos estos métodos ha sido descritos con anterioridad en esta página, a excepción de parte de los métodos incluidos en la columna “Otros” de la figura anterior. Debido a sus características específicas, el proceso CLC ha sido tratado como captura de CO₂ durante la combustión y descrito antes; y del resto, se destaca el “ciclo de carbonatación–calcinación” por su posible componente industrial.

La aplicación de técnicas biológicas y microbiológicas de absorción de CO₂ y su posterior transformación en vegetales o en micro y macro algas está muy extendida en la actualidad y se basa en la recombinación de este gas en productos vegetales mediante la reacción fotosintética, así como para la producción de O₂.

Ciclo de carbonatación–calcinación

Tecnología de Captura y Concentración de CO₂ que aprovecha la carbonatación de la cal (CaO) a alta temperatura para recuperar posteriormente el absorbente en un calcinador con el consiguiente esquema indicado en la siguiente figura.

Fuente: Elaboración propia

Las ecuaciones que rigen el proceso de carbonatación, proceso en el que se produce la captura de CO₂, son:

CaO + CO₂ ↔ CaCO₃ + Q (1800 kJ/(kg CaCO₃))

CaO + SO₂ +(1/2) O₂ ↔ CaSO₄ + Q (3550 kJ/(kg CaCO₃))

Para el proceso de calcinación, proceso de regeneración del absorbente.

CaCO₃ + Q (-1370 kJ/(kg CaCO₃)) ↔ CaO + CO₂

El balance energético final que se desprende de esta reacción es de alrededor de 430 kcal/kg CaCO₃.

Su bajo coste hace que este sistema sea competitivo, además de que la desulfuración es parte del proceso, incluyendo la purga (por lo que puede ser útil para la industria cementera al convertirse en una generación extra de energía eléctrica con bajas emisiones de CO₂).

Se trata de un proceso muy similar al de captura en oxi–combustión mediante “Chemical Looping Combustion (CLC)“, utilizando como material portador un no–metal (Calcio) en vez de un metal.

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