PRODUCCIÓN DE H 2 DE GASIFICCIÓN. LA OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE PUERTOLLANO. ELCOGAS S.A

1

PRODUCCIÓN DE H2 DE GASIFICCIÓN. LA

OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE

PUERTOLLANO.

ELCOGAS S.A.

Francisco García Peña

CURSOS DE VERANO 2005XVIII EDICIÓN

UNIVERSIDAD DE CASTILLA LA MANCHAPuertollano, 14 de Julio de 2005

2

1. PRODUCCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE

GASIFICACIÓN DE COMBUSTIBLES.

2. LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo

Combinado).

3. UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN

COPRODUCCIÓN DE H2 Y ELECTRICIDAD.

4. ACTIVIDADES DE ELCOGAS, INICIATIVAS EUROPEAS Y

NACIONALES.

PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE PUERTOLLANO

3

1. PRODUCCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE GASIFICACIÓN

DE COMBUSTIBLES


4

1.Producción de H2 a partir de Gasificación de combustibles.

Reacciones proceso gasificación.(1)

•Pirolisis:

COMPUESTOS

CARBONOSOS + CALOR

Char (residuo carbonoso)

Líquidos (alquitranes y

aceites)

Gases (CO, H2, CO2,

CH4, SH2, NH3, N2,

CnHm)

5


Reacciones proceso gasificación.(2)

•Combustión:

CENIZAS22

121

12242 22222

N

δSεHOHε

βαCO

φαCO

φO

εβγ

φ

αASNOHC εδγβα

OHO2

1H 222

22 COO2

1CO

O2HCO2OCH 2224

O3H6COO2

15HC 22266

6


Reacciones proceso gasificación.(3)• Gasificación:

Global:Compuesto Carbonoso + O2 CO + H2 + N2 + impurezas

cenizasN2

SHH -2

OHCO 2CO ASNOHC 22222

δεγε

βγααεδγβα

cenizasN2

δSεHHε

2

βγααCOOHγαASNOHC 2222εδγβα

scenizaN2

δSεHOγHCH H

2

βεγα2ASNOHC 22242εδγβα

224 3HCOOHCH

222 HCOOHCO

7


DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL

GAS

BRUTO

COMBUSTIBLE

PREPARACIÓN

COMBUSTIBLEGASIFICACIÓN

ESCORIAS

O2 H2O

FILTRACIÓNLAVADO

ACONDICIONAMIENTO

CENIZAS

VOLANTESEFLUENTES

(CN-,NH3, Cl,...)

GAS

LIMPIO

SHIFT CO

CO + H2O CO2+ H2

H2O

SEPARACIÓN CO2

ACONDICIONAMIENTO CO2CO2

PURIFICACIÓN H2 H2

OTROS

RESIDUOSGAS DE COLA

8

2. LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado)


9

2.LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado).

CALDERA AP

GASIFICADOR

CALDERA MP

FILTRACIÓNLAVADO

CON AGUA

SEPARAC.AZUFRE

RECUPERACIÓNAZUFRE

CALDERARECUPERACIÓN

CALOR

PREPARACIÓN CARBÓN

CARBÓN

COQUEPETRÓLEO

CALIZA

GAS

CRUDO

GASCLAUSGAS DE ENFRIAMIENTO

CENIZA

AGUA A TRATAMIENTO

GASDE COLA

AZUFRE

AIREO2

GASLIMPIO

PLANTA DE FRACCIONAMIENTO DE AIRE (ASU)

AIRE COMPRIMIDO

N2 RESIDUAL

N2 O2ESCORIA

TURBINADE GAS

200 MWISO

GASES DE COMBUSTIÓN CALIENTES

VAPOR MP

VAPOR AP

VAPOR

TURBINA DE VAPOR135 MWISO

GASES A CHIMENEA

TORRE DE REFRIGERACIÓNCONDENSADOR

10

CARBÓN COQUE MEZCLA(50:50)

Humedad (%p) 11.8 7.00 9.40Ceniza (%p) 41.10 0.26 20.68C (%p) 36.27 82.21 59.21H (%p) 2.48 3.11 2.80N (%p) 0.81 1.90 1.36O (%p) 6.62 0.02 3.32S (%p) 0.93 5.50 3.21PCI (MJ/kg) 13.10 31.99 22.55

COMBUSTIBLE

TURBINADE GAS

(MW)

TURBINADE VAPOR

(MW)

TOTALBRUTO(MW)

TOTALNETO(MW)

POTENCIAELÉCTRICA

182.3 135.4 317.7 282.7

BRUTA NETAEFICIENCIA(PCI) 47.12% 42.2%

EMISIONES g/kWh mg/Nm3 (6% Oxígeno)

SO2 0.07 25NOx 0.40 150

Partículas 0.02 7.5


PRINCIPALES DATOS DE DISEÑO

POTENCIA

Y EMISIONES

11


COMPOSICIÓN DEL COMBUSTIBLE Y DEL GAS DE SINTESIS

GAS CRUDO GAS LIMPIO

Composición

Media real

Diseño

Composición

Media real

Diseño

CO (%) 59,26 61,25 CO (%) 59,30 60,51

H2 (%) 21,44 22,33 H2 (%) 21,95 22,08

CO2 (%) 2,84 3,70 CO2 (%) 2,41 3,87

N2 (%) 13,32 10,50 N2 (%) 14,76 12,5

Ar (%) 0,90 1,02 Ar (%) 1,18 1,03

H2S (%) 0,83 1,01 H2S (ppmv) 3 6

COS (%) 0,31 0,17 COS (ppmv) 9 6

HCN (ppmv) 23 38 HCN (ppmv) – 3

GAS DE

SÍNTESIS

12

Factor GICC

Lecho fluido

atmosférico

PC subcrítica

PC supercrítica

Eficiencia Neta (% PCI)

39,2 – 43,1 36,0 36,0 42

Emisión CO2

(kg/MWh)712 – 783 852 852 774

Emisión SO2

(kg/MWh)0,07 – 0,14 1,40 2,50 2,15

Emisión NOx

(kg/MWh)0,05 – 0,40 0,80 2,30 1,10

2.LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo

Combinado).

TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA A PARTIR DE

CARBÓN

13

2. La Tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo

Combinado)

Ventajas (1)

Alta eficiencia. Mayor que otras tecnologías de generación de

energía a partir de carbón, y gran potencial de mejora: neta 42% 50%

• Carbón (diversidad de cualidades)• Combustibles alternativos (pet-coke, RSU, biomasa, etc.)• Disponibilidad de combustible secundario en el ciclo combinado

Fiabilidad en el suministro de

energía Flexibilidad de producto Electricidad, H2, CO2, metanol, NH3,

gasolinas, etc

Menor riesgo: Producción acorde con mercados

Alimentación flexible

14

Medioambiente:• Menores emisiones de CO2 que otras plantas basadas en carbón. Mejor potencial para plantas de cero emisiones • Bajas emisiones de gases ácidos (SO2, NOx) y partículas. Similar o mejor que los ciclos combinados con gas natural• Menores residuos. La escoria, ceniza, azufre y sales son subproductos• Menor consumo de agua que otras plantas basadas en carbón. No se producen dioxinas/furanos cuando se utilizan combustibles orgánicos• Mejor método para eliminar emisiones de Hg

Economía:• Combustible muy competitivo con gas natural. Coste variable del KWh con carbón es actualmente un tercio del producido con gas natural• Menor coste de captura de CO2 (precombustión)

• Los residuos son productos comerciales. Sostenibilidad:• Reservas de carbón para más de 200 años y con mejor distribución• Admite casi cualquier combustible con suficiente contenido en carbono

2. La Tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo

Combinado)

Ventajas (2)

15

2.Tecnología GICC.

Desventajas

Tecnología en estado de demostración

Las cuatro grandes plantas basadas en carbón (USA & EU) informan de disponibilidades GICC entre 60 and 75% (> 90 % si se considera el combustible auxiliar)

Principales causas de indisponibilidad relacionadas con la falta de madurez:

Diseño de sistemas auxiliares: Manejo de sólidos, corrosión en paradas, filtros cerámicos, materiales y procedimientos adecuados

Comportamiento de turbinas última generación con gas sintético y otros

Excesiva integración entre unidades. Alta dependencia y retrasos en arranques

Procesos más complejos que otras plantas eléctricas de carbón. Se requiere aprendizaje. GICC existentes operados por compañías petroquímicas con residuos de refinerías informan de disponibilidades superiores a 92% ( Complejidad de procesos similar a los de la industria química, varios trenes en paralelo, manejo de sólidos más fácil) Alto coste de inversión

Los costes de inversión de plantas existentes entre 1,500 y 2,000 €/KW

16

3. UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN COPRODUCCIÓN DE H2 Y

ELECTRICIDAD


17

ALTERNATIVA 1: Producción de H2 mediante separación con membranas

+ PSA

GASIFICACIÓN LIMPIEZA Y

DESULFURACIO

N

SATURADO

R

UNIDAD DE

SEPARACIÓN DE

AIRE

GAS

CRUDO

GAS LIMPIO CICLO

COMBINAD

O

CARBON /

COQUE PETRÓLEO

MEMBRANA

DEPURACIÓN H2

(UNIDAD PSA)

H2

N2 RESIDUAL N2

AIRE A PRESIÓN O2

GAS COMBUSTIBLE (CO, H2)

Pilas de Combustible Automoción Otros

usos


ELECTRICIDAD

18

ALTERNATIVA 2: Producción de H2 mediante reacción shift +

PSA

GASIFICACIÓN LIMPIEZA SATURADO

R

UNIDAD DE

SEPARACIÓN DE

AIREGAS

CRUDO GAS

LIMPIO

CICLO

COMBINAD

O

CARBON / COQUE PETRÓLEO

REACCIÓN SHIFTCO + H2O CO2 + H2

DEPURACIÓN

H2 (UNIDAD

PSA)

H2

N2 RESIDUAL N2

AIRE A PRESIÓN O2

Pilas de Combustible Automoción Otros

usos

VAPOR

GAS COMBUSTIBLE(RICO EN CO2, H2)

SEPARACIÓN CO2

(ABSORCION)

CO2 (+SH2)


ELECTRICIDAD

DESULFURACIÓ

N

19

Método ComentariosCoste de captura

(€/ton CO2)

AdsorciónBaja capacidad y selectividad de adsorbentes

Alto costeNo disponible

AbsorciónRegeneración compleja

Múltiples procesos probados comercialmenteAlta selectividad y eficiencia

29 - 44

Criogenia Muy alto consumo energético No disponible

Membranas

Tecnología en desarrolloBaja selectividad

40 - 54

HidratosTecnología prometedora

No desarrollada (ni fase experimental)No disponible

3. UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN COPRODUCCIÓN

DE H2 Y ELECTRICIDAD. MÉTODOS DE CAPTURA DE CO2

20

PURIFICACIÓN DE HIDRÓGENO EN GICC: TECNOLOGÍAS

Adsorción de los componentes indeseados (moléculas de mayor tamaño: CO, CO2) a alta presión, y desorción a baja presión. Se obtiene corriente de hidrógeno puro y a elevada presión

Permeación más veloz del hidrógeno a través de un polímero / membrana, separándose del CO. Cuanta mayor pureza, menor tasa de recuperación del H2

1. ADSORCIÓN: PROCESO PSA (Pressure Swing Adsorption)

2. PERMEACIÓN: POLÍMEROS / MEMBRANAS

3. DESTILACIÓN CRIOGÉNICA Diferentes puntos de ebullición del H2 (-252,8ºC a 1 atm) y el CO (-191,5ºC a 1 atm), que se separa por cola

CRITERIOS

DE SELECCIÓN

Condiciones de operación (P, contenido H2, recuperación)

Aplicación final del hidrógeno: Pureza requerida

• Más restrictiva: PEMFC: CO < 10 ppm• Menos restrictiva: combustión (motores, turbinas)

3. UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN COPRODUCCIÓN DE

H2 Y ELECTRICIDAD

21

El carbón es un recurso abundante y económico para la

producción

de Hidrógeno en Centrales GICC

Mediante la tecnología de gasificación con captura de CO2, es

posible

producir Hidrógeno libre de emisiones contaminantes

COMPARACIÓN DE COSTES DE PRODUCCIÓN DE H2

Fuente: IEA 2003

(€/GJ H2 , año 2020)

POTENCIAL DE LA TECNOLOGÍA GICC EN LA ECONOMÍA DEL H2.

COSTES DE PRODUCCIÓN

H2 de gas natural con captura de CO2 5,6 - 8,9

H2 de carbón - GICC con captura de CO2

6,5 – 8,9

H2 de biomasa (gasificación) 8,1 – 14,5

H2 de energía nuclear 12,1 – 16,2

H2 de energía eólica 13,7 – 18,6

H2 de energía termosolar 21,8 – 28,3

H2 de energía solar fotovoltaica 38,0 – 60,6

3. UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN COPRODUCCIÓN DE

H2 Y ELECTRICIDAD

22

4. PARTICIPACIÓN DE ELCOGAS. INICIATIVAS EUROPEAS Y NACIONALES


23

EL PROYECTO HYPOGENEn las presentaciones que realiza la Comisión sobre el proyecto lo presenta con el título:

Gran instalación de generación de hidrógeno y electricidad a partir de combustibles fósiles con captura y secuestro de CO2. Enmarcado como Proyecto “Quickstart” en la Iniciativa Europea para Crecimiento.

Con los objetivos:

Explorar los límites del uso de hidrógeno como un medio de descarbonatar los combustibles fósiles actuales y por tanto su potencial como puente hacia la economía del hidrógeno

Un proyecto europeo de exposición, con desarrollo modular y por etapas

Un lecho de pruebas vivo donde innovaciones tecnológicas pueden ser introducidas adecuadamente

Estrecha coordinación y complemento con HYCOM para obtener grandes cantidades de hidrógeno “limpio” a niveles aceptables de costes para aplicaciones masivas

4. PARTICIPACIÓN DE ELCOGAS. INICIATIVAS EUROPEAS Y

NACIONALES

24

EL PROYECTO HYPOGENEl Joint Research Centre y el European Science & Technology Observatory, de la CE, son encargados de realizar el estudio de prefactibilidad y presentan el siguiente programa indicativo

OPERATION & VALIDATION

IMPLEMENTATION & COMMISSIONING of H2

COMMUNITIES

TECHNICAL & FINANCIAL PLANNING

PROJECTDEFINITION

2004 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 2015

OPERATION & VALIDATION

DEMONSTRATION PLANT(s) CONSTRUCTION

PILOT SCALE DEMONSTRATION

FEASIBILITY STUDY

JRC ESTO Study

Year

Pro

ject

Ph

ases

JRCESTO

Prefeasibility Study

Funding (Costs?) Phasing ScenarioCOM(2003)690PHASE I 2005-07 300 M€PHASE II 2007-12 800 M€PHASE III 2012-15 200 M€

Funding (Costs?) Phasing ScenarioCOM(2003)690PHASE I 2005-07 300 M€PHASE II 2007-12 800 M€PHASE III 2012-15 200 M€

4. PARTICIPACIÓN DE ELCOGAS. INICIATIVAS EUROPEAS Y

NACIONALES

25

PROYECTO PLANTA PILOTO

• Producción de 2.500 Nm3/h de hidrógeno para venta a red de hidrógeno o uso como combustible en turbina de gas y pilas de combustible para generación eléctrica

• Separación de 25.000 t/año de CO2 (eficiencia de captura superior

al 85%) para su uso o pruebas de almacenamiento geológico

Objetivo Utilización de un 2% del gas de síntesis limpio de la central para la producción de hidrógeno con captura de CO2:


Bases de diseño:

•Demostrar la factibilidad de captura de CO2 y producción de H2 en una planta GICC alimentada con combustibles fósiles y residuos.

•Obtener datos económicos suficientes para escalar resultados al tamaño de la planta de Puertollano.

•Obtener H2 de la pureza requerida para su uso en pilas de combustible.

•Separar más del 80% del carbono total del combustible como CO2 de forma que se pueda proceder a su almacenamiento geológico seguro.

26

GASIFICACIÓN LIMPIEZA Y

DESULFURACIO

N

SATURADO

R

SEPARACIÓN AIRE

GAS

CRUDO

GAS

LIMPIO

CICLO

COMBINAD

O

CARBON / COQUE PET.

REACTOR

SHIFT

SEPARACIÓN CO2

(ABSORCION)

CO2

DEPURACIÓN H2

(PSA)H2

99,99 %

VAPOR

N2 RESIDUAL N2

AIRE A PRESIÓN O2

GAS LIMPIO19,4 bar302 ºC

60,5 % CO22,1 % H2

GAS RICO H2

39,0 % CO2

50,5 % H2

1,9 % CO

H2 BRUTO6,5 % CO2

77,4 % H2

2,9 % CO

183.000 Nm3/h

ESQUEMA DEL PROCESO


Documents

PRODUCCIÓN DE H 2 DE GASIFICCIÓN. LA OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE PUERTOLLANO. ELCOGAS S.A