Resumen de Evaluación de membranas avanzadas de transportes iónico para su integración en sistemas de oxicombustión.
1. Introducción En la actualidad, el control de la emisión a la atmósfera de los gases de efecto invernadero para prevenir efectos adversos sobre el clima global, se ha convertido en uno de los desafíos más complejos que afronta la humanidad. De acuerdo con numerosos estudios científicos y la posición de diferentes organismos y agencias internacionales como Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPPC) de la ONU o la Agencia Internacional de la Energía (AIE), esta situación ambiental es, en gran medida, resultado de la creciente demanda energética y del desarrollo demográfico. A día de hoy, los combustibles fósiles representan la fuente de energía dominante que impulsa la economía global. Más del 80% de la demanda de energía primaria mundial se satisface con combustibles fósiles, siendo el sector de la producción eléctrica y de calor el principal emisor de gases de efecto invernadero.
Ante esta situación de alarma medioambiental, la comunidad internacional ha reaccionado con apoyos crecientes desde la firma del protocolo de Kioto hasta los recientes acuerdos de la cumbre del Clima de París (COP-21), comprometiéndose a realizar reducciones muy importantes de las emisiones de gases de efecto invernadero, principalmente CO2, hasta conseguir niveles que impidan un aumento de la temperatura terrestre superior a 2ºC. Para conseguir el objetivo de reducción de emisiones de CO2 se plantean como medidas de actuación técnicamente viables que a corto y medio plazo podrían contrarrestar el problema climático: - La mejora en el rendimiento energético de los procesos.
- El desarrollo de las energías renovables.
- El empleo de la energía nuclear.
En este contexto, esta Tesis se centra en el estudio de una de las tecnologías de captura de CO2 más próximas al mercado: la de oxicombustión, aplicable a sistemas de generación eléctrica, con el objetivo puesto en el estudio de nuevas vías de producción de oxígeno que reduzcan la elevada penalización energética que supone la producción por el referente actual de producción de oxígeno de alta pureza (Plantas ASU o Plantas de destilación criogénica). Más concretamente este trabajo profundizará en el estudio de la viabilidad del uso de membranas de transporte iónico (ITM) para la producción de oxígeno a escala industrial en las condiciones de operación adecuadas para su implantación en grandes centrales térmicas de producción de energía eléctrica que cuenten con captura de CO2 mediante la alternativa técnica de la oxicombustión.
2. Objetivos, motivación y contribución El objetivo general de este trabajo de investigación es la evaluación de membranas avanzadas de transporte iónico (ITM) como alternativa al sistema convencional criogénico para aportar el oxígeno requerido por una central térmica basada en la oxicombustión de carbón.
La motivación principal que ha llevado a la realización de este trabajo de investigación ha sido la búsqueda de una tecnología emergente de separación de oxígeno cuya demanda energética sea inferior a la tecnología actualmente disponible, impulsando y facilitando el desarrollo e implementación de las técnicas de oxicombustión en los sistemas de generación eléctrica.
A partir de los resultados obtenidos a lo largo del desarrollo de la tecnología propuesta en la presente Tesis doctoral, los objetivos específicos que se pretenden alcanzar son: - Revisar el estado del arte de la tecnología ITM con objeto de fijar la tipología y características de las membranas de intercambio iónico actualmente disponibles, que puedan resultar aptas para su aplicación a grandes centrales térmicas que operen en condiciones de oxicombustión y que garanticen a su vez una elevada permeabilidad de oxígeno. Así mismo, este estudio bibliográfico permitirá analizar los avances en cada tipología de membranas en relación a su geometría de fabricación y a la capacidad de producción de oxígeno por unidad de superficie de membrana.
- Analizar la influencia de los parámetros de operación de la instalación industrial sobre el funcionamiento y la conservación de las capacidades de producción de las membranas e identificar los diferentes modos de integración de las membranas en el proceso de captura por oxicombustión. Con ello se pretende poner de manifiesto los parámetros de mayor influencia en el proceso de separación de oxígeno y proponer las opciones de integración de ITM que mejor se adecúen a las características de un proceso de generación eléctrica con captura en oxicombustión.
- Desarrollar un modelo de simulación, mediante un software informático, de las alternativas de integración oxicombustión-ITM consideradas como más adecuadas desde el punto de vista técnico, con el objetivo de predecir su eficiencia y comportamiento y evaluar su demanda energética. Así mismo, este modelo permitirá abordar un estudio técnico-económico que conduzca a la selección de aquella configuración que presente una menor demanda energética y un menor coste, junto con un comportamiento adecuado para su integración en un proceso de oxicombustión a escala real.
- Diseñar, montar y utilizar como herramienta experimental una planta de ensayos, a escala de laboratorio, capaz de probar el comportamiento de distintos tipos de membranas ITM, en forma de testigos, sometidos a un amplio rango de condiciones de operación, coincidentes con las esperables en los distintos escenarios de integración. Su diseño permite el estudio sistemático de la influencia de parámetros de operación tales como la temperatura, el contenido de humedad y la composición del gas de combustión en contacto con la membrana a través de la generación de una atmósfera artificial programable.
- Probar las membranas ITM, seleccionadas previamente, en una instalación piloto de lecho fluido circulante en modo oxicombustión de 30 MWt con la ayuda de un tren de muestreo diseñado y elaborado específicamente para este trabajo. Con ello se ha culminado el estudio con el análisis de dichos materiales bajo unas condiciones reales de operación.
A día de hoy, la mayoría de las líneas de investigación de las membranas de intercambio iónico se ha centrado en evaluar la capacidad de separación de oxígeno de estos materiales bajo una atmósfera compuesta por gases inertes con o sin presencia de dióxido de carbono. La contribución principal de esta Tesis es el desarrollo de herramientas que permiten, evaluar el comportamiento de las opciones tecnológicas del sistema ITM bajo unas condiciones de operación realistas, no contempladas en otros ensayos o proyectos experimentales llevados a cabo hasta la fecha. Todo ello permite detectar parámetros o aspectos limitantes, no estudiados previamente, contribuyendo así la mejora de las técnicas disponibles para la caracterización de estas herramientas. Se ha evaluado asimismo la capacidad de la aplicación real de distintos tipos de materiales actualmente en desarrollo en diferentes condiciones de integración para el suministro de oxígeno en plantas de producción de energía eléctrica a partir de oxicombustión de carbón con captura de CO2. Como resultado de esta tesis se fijan una serie de retos tecnológicos para futuras líneas de investigación a una mayor escala.
