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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
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE PUERTOLLANO
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
1.Producción de H2 a partir de Gasificación de combustibles.
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
1.Producción de H2 a partir de Gasificación de combustibles.
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
1.Producción de H2 a partir de Gasificación de combustibles.
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)
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE PUERTOLLANO
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
2.LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado).
PRINCIPALES DATOS DE DISEÑO
POTENCIA
Y EMISIONES
11
2.LA TECNOLOGÍA GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado).
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
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE PUERTOLLANO
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
3. UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN COPRODUCCIÓN DE H2 Y
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)
3. UTILIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA GICC EN COPRODUCCIÓN DE H2 Y
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
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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
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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
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO DE GASIFICACIÓN. LA OPORTUNIDAD DE LA PLANTA DE PUERTOLLANO
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:
4. PARTICIPACIÓN DE ELCOGAS. INICIATIVAS EUROPEAS Y NACIONALES
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.
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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
4. PARTICIPACIÓN DE ELCOGAS. INICIATIVAS EUROPEAS Y NACIONALES