Integración de un proceso de biometanización del CO2, generado en una planta de oxicombustión, con un ciclo combinado

Resumen

Para alcanzar los objetivos del Pacto Verde Europeo sobre neutralidad climática en 2050 es necesario adoptar una amplia variedad de medidas que van desde mejorar las normas de financiación ecológica hasta reforzar el régimen de comercio de derechos de emisión de la UE, pasando por la estimulación de una innovación respetuosa con el medioambiente y todo ello garantizando la relación coste-eficacia. La neutralidad climática significa emitir únicamente los gases de efecto invernadero que puede absorber la naturaleza; esto supone no sólo reducir estas emisiones de gases, sino también tratar de absorber las que están ya presentes en la atmósfera. La consecución de todos estos objetivos conlleva implícitamente la transformación de la economía actual, basada en combustibles fósiles, en una economía neutra en emisiones. Por eso, algunas de las principales medidas que se deben adoptar de forma urgente son el abandono del uso de los combustibles fósiles, en favor del aumento de las energías renovables y de biocombustibles, y la utilización de sistemas para la captura del CO2 emitido y de sistemas para la absorción del CO2 presente en la atmósfera. Las tecnologías de generación de energías renovables tienen la característica intrínseca de seguir un perfil de producción variable. Por ello, una de las maneras de acelerar su uso es conseguir aumentar su capacidad de gestión (gestionabilidad) de las mismas, lo que implica, entre otras medidas, la necesidad de impulsar el despliegue de las tecnologías de almacenamiento energético. Esta tesis propone por primera vez un esquema novedoso de almacenamiento de excedentes de energía eléctrica renovable mediante la hibridación de un sistema de electrosíntesis microbiana con un proceso industrial que opera en modo oxicombustión. El proceso híbrido aúna en un mismo esquema la valorización de las emisiones de CO2 de una industria con el almacenamiento de energía renovable no gestionable de la red eléctrica, todo ello bajo parámetros de diseño más ecológicos y de economía circular. La presente tesis pretende contribuir y continuar con la labor iniciada en trabajos de investigación previos, en los que, por un lado, se identificaron novedosos conceptos de sistemas de almacenamiento de energía Power-to-Gas y, por otro, se abordaron aspectos prácticos del diseño y operación de los sistemas de electrosíntesis microbiana (MES). La parte central presenta y estudia un nuevo sistema hibridado, OxyMES, el cual toma los gases de oxicombustión de una caldera industrial, compuestos fundamentalmente por CO2 y vapor de agua, y los convierte en biometano en una celda MES gracias a la actividad de los mircroorganismos depositados en el biocátodo. El resultado es un biogás apto para su uso directo o para inyección a la red de gas natural, una vez limpio de impurezas. Además, también se produce oxígeno puro como subproducto de la cámara anódica, al realizarse la bioelectrosíntesis en un medio acuoso. El sistema pretende ofrecer una solución «todo en uno», puesto que convierte el CO2 en biogás y produce oxígeno para la oxicombustión a partir de electricidad y agua, todo ello dentro de un solo sistema operando en condiciones ambientales. En la segunda parte de la tesis se analiza el acoplamiento de un ciclo combinado, aguas abajo del sistema OxyMES, operando en modo oxicombustión, OxyCC, y compuesto por turbina de gas (OxyTG) y caldera de recuperación de calor (HRSG). Así, el nuevo esquema híbrido OxyMES-OxyCC pasa a ser un sistema Power-to-Power en el que las etapas de carga y descarga de energía están desacopladas. En esta parte de la tesis se ha pretendido evaluar la eventual aplicación a los nuevos modelos de negocio energéticos, cuya llegada está próxima, para lo que se calculó la energía reconvertida de nuevo en electricidad y el rendimiento del conjunto hibridado (PtGtP). La metodología que se ha seguido ha consistido en realizar, primero, el estudio de balance de materia y energía del conjunto hibridado OxyMES para unas hipótesis de partida fijas de alimentación de combustible a la caldera de oxicombustión (carbón) y de eficiencia de conversión de CO2-a-metano y faradaica en la celda MES. Después, se ha realizado un análisis de sensibilidad considerando varios supuestos de potencial eléctrico externo a aplicar en la celda (Vcelda = 3.5 V/2.8 V/1.63 V/1.23 V). Este parámetro se utiliza en la tesis como indicador de la potencia eléctrica consumida por la celda MES, necesaria para generar el biogás. A mayor diferencia de potencial a aplicar corrientes de entrada y salida al proceso y sus condiciones, se realizaron los balances de materia y energía, y se obtuvo el rendimiento Power-to-Gas del sistema OxyMES para los cuatro casos de estudio de Vcelda (PtG_MES). En el caso de Vcelda = 1.63 V, se encontró que el rendimiento obtenido es del orden de los reportados por otros grupos de investigación para sistemas Power-to-Gas que realizan la metanación en dos pasos: con un electrolizador y con un reactor de metanización. Este escenario de Vcelda representa la tendencia a la que parece que se puede llegar en el corto o medio plazo en estos sistemas bioelectroquímicos, si se continúan con los esfuerzos de investigación en este campo. El rendimiento teórico Power-to-Gas (PtG_MES) alcanzado en la celda MES, para una diferencia de potencial en la celda de 1.63 V, es del 51%, y el del sistema global que integra la oxycaldera, OxyMES (PtG&H_OxyMES), es del 60%. En cuanto al planteamiento de sistema Power-to-Gas-to-Power o, abreviadamente, Power-to-Power, en la tesis se ha realizado una simulación del ciclo combinado en modo oxicombustión según dos esquemas de recirculación de los gases a la salida de la turbina de gas (RC: caliente/húmeda y RF: recirculación fría/seca) y, en cada una de ellas, con distintos porcentajes de contenido de oxígeno a la entrada de la cámara de combustión de la turbina de gas (grado de oxicombustión, Oxc). En este modelo, se ha impuesto un límite máximo del 2%vol al contenido de oxígeno en los gases producto de oxicombustión para evitar la inhibición de la actividad de los microorganismos metanogénicos. Después de realizar los balances de todos los casos de estudio, se escogieron como referencia los correspondientes al grado de oxicombustión del 14%vol, ya que conseguían los mayores rendimientos del conjunto. Este se corresponde con un ratio de recirculación del 80% en el esquema de recirculación caliente (Oxc_RC14) y del 90% en el de fría (Oxc_RF14). Dado que uno de los objetivos principales del proceso propuesto OxyMES es evitar una de las unidades que más penalizan energéticamente los procesos de captura de CO2 por oxicombustión (unidad de fraccionamiento de aire, ASU) se analizan varios escenarios de funcionamiento de carga en la turbina de gas y, por tanto, diferentes consumos de oxígeno. Si la turbina de gas trabaja a una carga próxima al 80% de la nominal se puede evitar el suministro externo de oxígeno a la planta, ya que la celda MES es capaz de cubrir la demanda de la oxycaldera y del ciclo combinado. Con un adecuado dimensionamiento del sistema de tanques de los fluidos gaseosos principales del proceso (oxígeno, CO2 y biogás) se puede conseguir que el sistema OxyMES-OxyCC sea un sistema autosuficiente e independiente de suministros externos. El rendimiento global o “round trip” del sistema Power-to-Gas-to-Power (PtGtP) cuando la Vcelda está en el rango de 1.63 V y 2.8 V se encuentra entre el 22.8% y el 14.6% (caso RC_Ox14) y entre el 23.7% y el 15.2% (caso RF_Ox14), ambos casos con los tres ciclos de potencia operando a plena carga. Si el funcionamiento de la OxyTG es a carga parcial (sistema autosuficiente), entonces esta eficiencia disminuye hasta en tres puntos porcentuales (entre 19.5% y 12.5% en RC_Ox14 y entre 20.2% y 12.9% en RF_Ox14, a 79.6% carga OxyTG). La transformación a energía eléctrica del gas almacenado durante la fase de descarga alcanza su máximo rendimiento Gas-to-Power (GtPe) a plena carga de la turbina OxyTG, con un 37.0 %. A carga parcial de la turbina (modo autosuficiente) este rendimiento disminuye hasta el 36.5 %, y si se contabiliza la energía química del biogás almacenado, la eficiencia Gas-to-Power&Gas (GtP&G) aumenta hasta el 51.6%. El sistema propuesto OxyMES es un sistema simultáneo de neutralización de emisiones de CO2 y de almacenamiento de energía, capaz de valorizar las emisiones de CO2 sin penalizar energéticamente el proceso tomando como referencia una planta de oxicombustión con captura de CO2 convencional. Se ha concluido que con factores de conversión de CO2-a-metano mayores del 85% se pueden mejorar las emisiones específicas con respecto a la planta de referencia. Para el factor de conversión en la celda del 95%, el valor de CO2 convertido por unidad de energía química almacenada en forma de metano es 208 gCO2/kWht. Además, si el combustible utilizado en la caldera de oxicombustión fuese un residuo de origen biogénico, se podrían conseguir emisiones globales negativas del proceso. Se han identificado como principales factores limitantes del proceso propuesto los elevados sobrepotenciales de la celda microbiana, que penalizan la eficiencia general, y la necesidad de emplear tanques de almacenamiento para los gases de proceso. Este último factor es inherente a la tecnología Power-to-Gas. Con respecto a los sobrepotenciales, las mejoras en materiales y en nuevas configuraciones de las celdas sugieren que será factible conseguir reducirlos de forma considerable en los próximos Sistema de almacenamiento energía Bio-Power-to-Gas años. En cuanto a los tanques, con el tamaño adecuado es posible lograr una autonomía del 100%, exenta de suministros externos de los fluidos de proceso (O2, biogás y CO2). Por ello, se espera que las capacidades de OxyMES se maximicen cuando se integren en sistemas más grandes que formen hubs de diferentes procesos industriales. Por último, se ha analizado si la posible ventaja energética de no necesitar ASU ni CPU en los momentos en que opera la celda MES compensa el alto consumo energético de ésta. Se ha comprobado que esta ventaja energética existe en tanto que la energía que alimente al sistema provenga de excedentes renovables. En estos casos, el ahorro energético por no instalar ambas unidades (ASU y CPU) puede compensar, además, el consumo energético de la instalación del sistema de upgrading del biogás, necesaria para realizar la inyección de biometano a la red de gas natural. En general, los sistemas como el propuesto requieren mejorar los resultados de rendimiento global del conjunto (eficiencia roundtrip) para lo que, necesariamente, se deberán conseguir mejoras en cada subunidad o subproceso. La configuración autosostenible del sistema híbrido permite aportar flexibilidad al almacenamiento de energía y conectividad entre los sectores eléctrico y de gas (sector coupling), puesto que mantiene un porcentaje de biogás almacenado (20%) listo para su uso en el ciclo combinado o bien para ser inyectado a la red de gas natural. En definitiva, esta tesis contribuye a reforzar la posición de las tecnologías de electrosíntesis microbianas hibridadas con sistemas industriales, como una solución prometedora dentro de los sistemas de almacenamiento de energía no gestionable.