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Prof. Vicente Cortés Galeano

Tecnologías e infraestructuras para el

desafío energético europeo

Prolongando la vida del carbón:

Captura, transporte y almacenamiento de CO2

Sede de Sevilla

Sevilla 11 y 12 de marzo de 2015

Contenidos

► Emisiones de CO2. Alternativas para su reducción

► ¿Que es la Captura y Almacenamiento de CO2, CAC?

► ¿Cómo se puede capturar el CO2?

► ¿Cómo se transporta el CO2 al almacenamiento geológico?

► ¿Cómo se almacena geológicamente el CO2 ?

► ¿Cuál es el grado de implantación de la CAC en el mundo?

► ¿Cuáles son los retos para el despliegue de la CAC?

BP Energy Outlook 2035

Evolución prevista de la demanda

mundial de energía primaria

Por combustible Por países

BP Energy Outlook 2035

Evolución prevista de la demanda de

carbón y gas natural

Carbón Gas natural

Comparativa de

combustibles fósiles

Relación

Reservas/

Producción, años

H/C**

Emisiones de CO2

en generación

eléctrica, g/kWh

CARBÓN 118 1/1 850-950

GAS NATURAL 60 4/1 350

PETRÓLEO* 48 2/1 700-800

* Convencional

** Aproximadamente

BP Energy Outlook 2035

Emisiones de CO2 por regiones

Evolución del PIB, consumo de energía y

emisiones de CO2

GCCSI con datos del IEA Energy Technology Perspectives 2014

Emisiones de CO2 por sectores

Emisiones mundiales de CO2 en 2011: 33,8 Gt

BP Energy Outlook 2035

Cambio previsto en la contribución de

fósiles a la producción de electricidad

América del Norte China UE Otros no-OCDE

LA CAC APORTARÁ EL 14% DE LA REDUCCIÓN DE

EMISIONES NECESARIA EN 2050

Eficiencia

energética

Energías

renovables

Captura

y

Almacenamiento

de CO2 (CAC)

+ +

Las tres herramientas básicas

Adaptado de Zero Emissions Platform

Contribución de las diferentes

alternativas

IEA Energy Technology Perspectives 2014

CCS: Carbon capture and storage

2DS: 2ºC scenario

6DS: 6ºC scenario

Transporte Compresión Inyección

Central

térmica

Separación

de CO2

Esquema de concepto

Elaboración propia

CO2

(26 %)

CO2

(39%)

CO2

(35 %)

La aplicabilidad de la

captura de CO2

INDUSTRIA

GN, CEMENTO,

REFINERIAS, ACERO,

PETROQUIMICA

GENERACIÓN

DE

ELECTRICIDAD

PRODUCTOS ELECTRICIDAD

USO DOMÉSTICO

COMERCIAL

TRANSPORTE

SERVICIOS

TOTAL

~34 Gt/a

COMBUSTIBLES FÓSILES: CARBÓN, PETRÓLEO Y GAS

CAPTURA, TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE CO2

Elaboración propia

0

5

10

15

20

25

30

35

La necesidad de concentrar

CONCLUSIÓN: TRANSPORTE IMPRACTICABLE EN CONDICIONES DE PROCESO

CALDERA DE

CARBÓN

CALDERA DE GN

CEMENTO (ALTO)

CC GN

HORNO ALTO

CEMENTO (BAJO)

HORNO DE

REFINERÍA

CONCENTRACIÓN DE CO2 TRAS LA COMBUSTIÓN, % vol

Adaptado de Thambimuthu

Órdenes de magnitud

320 centrales térmicas de 500 MW emiten 1 Gt/a

1,4 Mt/a

Ciclo Combinado Gas Natural

400 MW

3,5 Mt/a

Central Térmica

de Carbón

Supercrítica,

500 MW

4,0 Mt/a

Refinería

integrada

grande

Adaptado de Gerdes

Postcombustión

Oxicombustión

Precombustión

CARBÓN

100%

REFRIGERACIÓN

53,0%

AUXILIARES

3,4%

PROCESO DE CAPTURA

(Entalpía&Electricidad)

5,7%

COMPRESIÓN DE CO2

3,5%

RENDIMIENTO NETO

34,1%

0 10 20 30 40 50

PLANTA DE

REFERENCIA

CP USC

CON CAC

RENDIMIENTO, %

Diagrama de Sankey: CT de carbón pulverizado USC

La penalización energética

derivada de la captura

Adaptado de Anderson

Captura de CO2:

el camino a la innovación

Technology Readiness Levels

Laboratorio/Banco

de ensayos Piloto

Demostración

TRL 2-5 5-7 7-9

Finalidad Demostración del principio

Proceso

completo:

rendimientos y

sensibilidad

Proceso implementado a

tamaño real o escala

Representativo de comercial

Integración de sistemas Componentes individuales

Integración de

componentes

principales

Ingeniería

preliminar

Diseñado como proceso

comercial e integrado con planta

principal

Condiciones del ensayo Gases sintéticos

Gases reales:

extracción o

generación

Gases procedentes de la

operación real en rango

completo de condiciones

Captura de CO2:

el camino a la innovación

Adaptado de Figueroa et al. 2008 – Int. J. Greenhouse Gas Control 2; 9-20 y elaboración propia

POSTCOMBUSTIÓN

PRECOMBUSTIÓN

OXICOMBUSTIÓN

Aminas 7-9

Adsorbentes físicos

7-9

Oxi atmosférica 7-9

Amoniaco acuoso 7-9

Aminas

Avanzadas 5-7

SEWGS 5-7

TSA/PSA 5-7

WGSR 2-5

ITM 5-7

Membranas 5-7

Líquidos

Iónicos 2-5

Separación

Criogénica 2-5

OTM 2-5

Transportadores

de Oxígeno(CLC) 5-7

Absorbentes

precipitantes 2-5

TIEMPO PARA COMERCIALIZACIÓN

RE

DU

CC

IÓN

DE

CO

ST

ES

ES

PE

RA

BL

E

SEWGS: Sorption Enhanced Water Gas Shift

SER: Sorption Enhanced Reforming

TSA/PSA: T or P Swing Adsorption with solid sorbents

WGSR: Water Gas Shift Reactor Membranes

ITM: Ion Transport Membranes

OTM: Oxygen Transport Membranes

CLC: Chemical Looping Combustion

SER 5-7

Calcium

Looping 5-7

TSA/PSA 2-5

Absorbentes

catalizados 2-5

Transporte de CO2

Experiencia existente en EEUU

• Más de 3000 km de transporte de CO2 por tubería para EOR en EEUU

• Capacidad 44 Mt/a

• Origen del CO2 fundamentalmente natural

http://www.nicholas.duke.edu/thegreengrok/co2pipeline

Por tubería: P>8 MPa para elevada y evitar flujo bifásico

Principales conducciones

de CO2 en EEUU

Conducción Localización Capacidad

(Mt/a)

Long.

(km)

∆ de

cotas

(m)

Diámetro

(m)

Cortez Cortez a Denver 19,3 808 800 0,76

Transpetco Bravo Dome a Guymon 3,4 193 1094 0,32

Sheep M-1 Sheep Mountain-Rosebud 6,4 296 893 0,51

Sheep M-2 Rosebud a Seminole 9,3 360 464 0,61

Bravo Bravo Dome a Denver 7,4 351 955 0,51

Weyburn Beulah a Weyburn 1,8 330 46 0,36

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Sleipner, captura de CO2 del gas natural y

reinyección en acuífero salino

Transporte de CO2

Por conducción y barco: redes complejas

Statoil

Redes complejas con ramales en tierra y offshore. Hub de concentración

Conducciones frente a barcos

No flexibles(trazado/capacidad)

Bajos costes específicos ( €/m3)

Disponibilidad requiere tiempo

Flexibles (ruta/capacidad)

Elevadas inversiones iniciales Inversión inicial reducida*

Altos costes específicos ( €/m3)

Disponibilidad: tiempos cortos

* para el productor de CO2

Diagrama de fases del CO2

0,1

1

10

100

1000

10000

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Punto Crítico

73,8 bar,

31,1ºC,

Punto triple

1 bar

100 bar

Sólido Líquido

Vapor

PR

ES

IÓN

, b

arg

TEMPERATURA, ºC

TUBERÍA

Fluido

Supercritico

BARCO

Ecuaciones de estado del CO2 puro disponibles

Gas de

postcombustión

Gas de síntesis

de precombustión

Gas de

oxicombustión

Algunas propiedades del CO2 puro

Propiedad Gas Supercrítico Líquido

Densidad (g/cm3) ≈0,001 0,2 - 1,0 0,6 - 1,6

Viscosidad (g/(cm s)) 0,0001 0,001 0,01

Características principales del CO2 de captura

A evitar cuidadosamente la presencia de agua libre

Impurezas, rango de %

• N2, NOX, SOX, Ar, O2 (de oxicombustión)

• H2, CO, H2S (de precombustión)

•

Adicionalmente

• Dificultad de predicción de composiciones futuras

• Sin experiencia en el transporte de CO2 con

o Ar/O2 por encima de ppm

o Mezclas de diversos componentes

La norma ISO en elaboración

Composición y calidad del CO2

Comportamiento termodinámico de la corriente de CO2

en la tubería

o Diagrama de fases

o Viscosidad, densidad, Joule-Thompson

Prescripciones para el diseño:

o materiales y espesores

o protección contra la corrosión y revestimientos

o válvulas y accesorios

Seguridad, salud y medio ambiente

o modelos de dispersión

Aspectos relevantes

Almacenamiento geológico de CO2

Conjunto de dos rasgos geológicos complementarios

Sello

(impermeable)

Almacén

(muy poroso) >800m

CIUDEN

Alternativas para almacenamiento geológico de CO2

GCCSI

1. Formaciones salinas profundas

1. Inyección en capas no explotables de carbón

3. Empleo en EOR

4. Depósitos de petróleo y gas agotados

La ventaja principal del almacenamiento subterráneo

100 80 60 20

25 ºC/km 35 ºC/Km

1500

1, 40 20

500

1000

Kg CO2/m3 roca (15% porosidad)

Pro

fun

did

ad

(m

)

(Rigg, et al 2001) ~90ºC

800

1,3 0

~55ºC

~45ºC

~70ºC

~20ºC

2000

Profundidades

adecuadas

La densidad del CO2 es función de la

profundidad y del gradiente geotérmico

Superficie

800m

500 m3 18 m3

Volumen de roca requerido para

almacenar 1 t de CO2

CIUDEN

Estructural, no puede ascender,

se lo impide la roca sello

Residual, queda retenido en

los poros de la roca almacén

Disolución en el agua de la roca

almacén y hundimiento por mayor

densidad

Mineralización por reacción con la

roca almacén formando sustancias

que tapizan sus poros

Los cuatro métodos de atrapamiento de CO2

Almacenamiento geológico de CO2

Seguridad en el almacenamiento geológico de CO2

Estructural

Residual

Disolución

Mineralización

Tiempo desde inyección (años)

Co

ntr

ibu

ció

n a

l atr

ap

am

ien

to (

%)

Creciente

10 1 100 1000 10000 0

100

CO2CRC

Medida y tipos de monitorización

Schlumberger

Operaciones Medio Ambiente y

HSE

Verificación de integridad del pozo

y almacén

Seguimiento de la pluma de CO2

Principales proyectos a escala comercial en el mundo

GCCSI, 2014

Proyectos en el mundo en operación,

construcción y definición

GCCSI, 2014

Por tipo de industria y tipo de almacenamiento

Primer proyecto a escala

industrial en central térmica

de carbón de 110MW,

1MtCO2/a, Oct 2014

Proyectos en el mundo en operación,

construcción y definición

GCCSI

Por tecnología de captura y tipo de almacenamiento

El proyecto ROAD en Holanda

En Grupo 3 C.T. Maasvlakte E.ON,Rotterdam

Central Térmica de carbón supercrítica

Captura 1Mt/a ( 250 MWe equivalentes)

Tecnología Postcombustión

Transporte On-shore ( 5 km) + offshore ( 20km)

Almacenamiento Campo de gas offshore ( 3,5 km*)

Puesta en servicio 2018 ( incierta)

*profundidad

El camino propio de UK

Central Peterhead

Ciclo combinado de gas natural

Captura 1Mt/a ( 250 MWe equivalentes)

Tecnología Postcombustión

Transporte Offshore

Almacenamiento Campo de gas offshore (2 km*)

Puesta en servicio 2020 (incierta)

*profundidad

El camino propio de UK

Central White Rose Térmica de carbón

Captura 2Mt/a ( 450 MWe )

Tecnología Oxicombustión

Transporte On-shore (150 km) y offshore (30km)

Almacenamiento Formación salina offshore

Puesta en servicio 2020 (incierta)

El reto de los costes

The McKinsey Company

Desglose del coste total del CO2 en

primeras unidades comerciales

CAPTURA 25-32 1

TRANSPORTE 4-6 2

ALMACENAMIENTO 3 4-12

TOTAL 33-50

€/t CO2 EVITADO

Coste del CO2 evitado

€/ t

CO

2 E

VIT

AD

O

Primeras unidades

comerciales ( 2020+)

Fase comercial madura (2030+)

2015 2020 2030

10

0

20

30

40

50

60

70

80

100 90

60 50

35

45

30

Fase demostración

( 2015)

90

Coste del CO2 evitado frente a precio del derecho de emisión

43

Precio del derecho de emisión para acometer la inversión*

ZEP

* En base a razones exclusivamente económicas

Precio del derecho

de emisión

7,3 €/t

Precio del derecho

de emisión

7,3€/t

IEA Technology Roadmap Industry

Costes estimados para la CAC en la

industria

LCOE de tecnologías de generación eléctrica

2010 y 2014 según IRENA

45

IRENA 2014

No CCS

Wind offshore Wind onshore CSP PV Hydro Geo Biomass

46

Ecofys 2014

LCOE(2012) de tecnologías de generación

eléctrica en EU28

The red lines represent the median value for the range

*

*No CCS

*

Conseguir una percepción pública favorable es esencial para el despliegue de la

tecnología

En caso contrario ello puede ser un freno efectivo para la implantación

Varios países en Europa han detenido sus trabajos on-shore por oposición de la

población

Poco informado sobre la energía y sus efectos

medioambientales

A favor de las renovables pero no dispuesto a pagar

precios superiores

Desconoce la CAC y contrario a almacenar CO2

en el subsuelo Cree que el CO2 es tóxico

PÚBLICO

El reto de la percepción pública

Tecnológicas

Financieras

Económicas

Regulatorias

Incertidumbres para la inversión en CAC

• Vida útil reducida de instalaciones de primera generación

• Curva de aprendizaje no conocida

• Nuevos sistemas eléctricos flexibles basados en renovables

• Modelo de operación en base de centrales con CAC

• Dificultad de acceso a financiación de inversiones elevadas de

alto riesgo

• Inexistencia de esquema de soporte similar al de otras

tecnologías de generación bajas en carbono

• CfDs (Contracts for Difference) aún en diseño en UK

• Volatilidad y bajos precios del derecho de emisión de CO2

• Marco regulatorio inestable sobre el precio de la electricidad

• ¿Límite de emisión de CO2?

1. La CAC es un componente importante de las estrategias europeas e

internacionales para reducir las emisiones de CO2

2. Las tecnologías de captura, transporte y almacenamiento son viables

técnicamente, pero la operación integrada y flexible a gran escala tiene

aún que ser demostrada en producción de electricidad

3. No se dan las condiciones económicas y regulatorias para atraer la

inversión privada en CAC, entre otras razones porque el precio del

derecho de emisión de CO2 no es un impulsor suficiente

4. La percepción pública puede ser un factor determinante para el

despliegue de la tecnología

5. Europa ha perdido, en detrimento de EEUU, el liderazgo en CAC

Conclusiones

Technology Development Centre for CO2

Capture and Transport

Fundación Ciudad de la Energía

(CIUDEN)

Anexo

CIUDEN´s Technology Development

Centre for CO2 Capture

and Transport

CIUDEN CO2

Capture TDC

COMPOSTILLA II

Power Station

ENDESA

CO2 Capture and Transport TDC

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Prof. Vicente Cortés Galeano

Tecnologías e infraestructuras para el

desafío energético europeo

Prolongando la vida del carbón:

Captura, transporte y almacenamiento de CO2

Sede de Sevilla

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