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Los cambios climáticos que está sufriendo el planeta han provocado la necesidad de reducir las emisiones de gases con efecto invernadero, principalmente CO2, a la atmósfera. El elevado coste que supone actualmente la separación del CO2 de los humos de combustión para su posterior almacenamiento, ha generado en los últimos años la aparición de nuevos sistemas de combustión que producen corrientes concentradas de CO2.
El objetivo de esta línea de investigación consiste en desarrollar un nuevo sistema de combustión que produce corrientes prácticamente puras de CO2, lo cual reduce apreciablemente el coste total de generación de energía sin ser perjudicial para el medio ambiente. El concepto de combustión planteado, está basado en la transferencia de oxígeno del aire al combustible por medio de un transportador de oxígeno en forma de óxido metálico. Para ello se utilizan dos reactores interconectados entre sí. El óxido metálico se reduce a metal por medio del combustible, que tiene que estar en forma gaseosa (gas natural, metano o gas de síntesis procedente de la gasificación del carbón) produciendo agua y CO2 (reactor de reducción, RR). Tras la condensación del agua se obtiene una corriente prácticamente pura de CO2. El transportador de oxígeno, en forma reducida, se regenera de nuevo a óxido con aire en otro reactor (reactor de oxidación, RO)
obteniéndose a la salida una corriente de aire concentrada en N2 y sin CO2.
La cantidad total de calor generado es la misma que la que se origina en la combustión normal por contacto directo entre el oxígeno del aire y el combustible. La ventaja fundamental de la combustión con transportadores sólidos de oxígeno radica en que el CO2 generado no se diluye en N2, obteniéndose prácticamente puro y no siendo necesario ningún proceso posterior de separación. Por ello este proceso tiene menor coste energético que otras tecnologías de separación y captura del CO2. En la siguiente figura se muestra un esquema general del proceso.
Las partículas de óxidos metálicos que se utilizan para transportar el oxígeno en este tipo de sistemas tienen que tener velocidades de oxidación y reducción elevadas, así como suficiente resistencia mecánica para limitar su rotura y atrición ya que deben estar circulando de forma continua entre los dos reactores. Asimismo interesa que el óxido metálico no sea caro y que no genere problemas medioambientales. En la literatura se han propuesto los siguientes óxidos como transportadores de oxígeno: CuO, NiO, Mn2O3, Fe2O3, .. soportados sobre alumina, zirconita, etc…
En la utilización de combustibles sólidos en este proceso, el carbón se mezcla físicamente con el transportador de oxígeno. Dado que se prevé que parte del transportador se pierda durante la etapa de extracción de las cenizas del carbón, se requiere la utilización de materiales baratos. Por ello, actualmente se están desarrollando otros materiales basados en hierro o manganeso como minerales naturales (ilmenita) o residuos de acerías y otras industrias.
Aunque esta nueva tecnología con transportadores de oxígeno se propuso por primera vez en la década de los años 80, el mayor desarrollo se ha producido en la última década. En este contexto, el grupo de «Combustión y Gasificación” del Instituto de Carboquímica (CSIC) de Zaragoza dirigido por el Prof. Adánez ha estado presente en los principales proyectos europeos relacionados con el desarrollo de esta nueva tecnología. El proceso de combustión con gas operando en continuo se demostró por primera vez en 2003 dentro del proyecto europeo GRACE (V Programa Marco de la Unión Europea) en la planta de 10kWt situada en la Universidad de Chalmers (Suecia), utilizando como transportador un material basado en Ni. Este proyecto se desarrolló en colaboración con diferentes empresas (CO2 Capture Project –CCP (consorcio de las 8 mayores petroleras mundiales)-, Alstom) y centros de investigación europeos (Chalmers University, Technical University of Vienna, ICB-CSIC). En 2004, el grupo de investigación del ICB-CSIC (España) realizó, dentro de un proyecto del Plan Nacional (PPQ-2001-2111), 200 horas de operación en continuo con excelentes resultados en una planta de 10kWt utilizando metano como combustible y transportadores de oxígeno basados en Cu. En 2008, se puso en operación una planta de 140kWt en la Universidad de Viena, dentro de un proyecto financiado por Unión Europea (CLC GAS POWER) y por el CCP Fase II.
En la actualidad los desarrollos se centran tanto en combustibles gaseosos, como solidos (carbon, biomasa…) y liquidos. Las mayores plantas que se han construido para esta tecnologia hasta la actualidad son de 1MWt en la universidad de Darmstadt (Alemania) y otra de 3 MWt en USA.
Los objetivos generales de esta línea de trabajo son:
- Desarrollar transportadores de oxígeno adecuados al proceso tanto para la utilización de combustibles gaseosos, liquidos o sólidos.
- Establecer los fundamentos, las bases de diseño y las condiciones de operación óptimas para la operación de estos sistemas mediante herramientas de simulación.
- Demostrar y evaluar estas nuevas tecnologías de combustión a nivel de planta piloto (0.5-50 kWt)
Proyectos
Combustion of Rechargeable Metal Fuels in Fluidized Bed Boilers (CORAL)
El proyecto CORAL explora un nuevo concepto para el almacenamiento de energía en forma de hierro metálico y su utilización en calderas de lecho fluidizado para producir calor o electricidad libre de emisiones de CO2. Este es un concepto en el que se realiza la oxidación de hierro en la caldera con aire, de forma similar a la que se realiza actualmente en la combustión de carbón. De este modo, se plantea la reconversión de calderas de combustión de carbón por calderas de oxidación de hierro. El óxido de hierro producido se reducirá con hidrógeno verde para tener un medio de almacenamiento de energía libre de emisiones de CO2. En el proyecto se demostrará el proceso hasta una escala de 1 MW. Además, se realizará el diseño del escalado del proceso a nivel industrial, así como su evaluación tecno-económica y de su impacto social y medioambiental.
The cyclic reduction/oxidation of metal oxide/metal is a promising approach for energy storage and flexible CO2-free provision of heat and power. The project explores a novel concept of metal oxidation utilising retrofitted coal-fired fluidized bed power plants. Required modifications of the steam generator, solid feeding, and extraction systems are identified. A hydrogen-based process will be used for the direct reduction of metal oxides. The reduction/oxidation process in fluidized beds is tested at various scales up to 1 MW thermal power. Various numerical models (steady-state, dynamic, and CFD models) are developed, validated by experiments, and applied to design modifications. The concept is assessed regarding electrical efficiency, economics, environmental and social impact.
Flexible chemical looping combustion for combined heat and power production from biogenic residues with negative emission (Bio-FlexCLC)
The Bio-FlexCLC project develops and demonstrates a novel flexible technology for CHP plants at TRL 5 to utilize low-value biogenic residues as feedstock for heat and power production with negative CO2 emissions. Bio-FlexCLC combines the break-through chemical-looping combustion (CLC) technology with conventional circulating fluidized bed (CFB) boilers. The concept is flexible to switch between CLC CFB modes. Bio- FlexCLC operating in CLC mode has inherent CO2 capture at a low cost and without energy penalty. Bio-FlexCLC utilizes biogenic residues and wastes, improves conversion efficiencies, achieves negative CO2 emissions, reduces SOx and NOx emissions, enhances CO2 capture efficiency at a considerably reduced cost, has flexibility towards load demand fluctuations, and the capacity to switch to CFB combustion if market conditions are not amiable for carbon capture or if there is difficulty in the operation to decreases the risk of implement.
Alberto Abad y Teresa Mendiara consiguen un nuevo proyecto de la AEI para el grupo de Combustión y Gasificación
El proyecto lleva por título: «Producción de hidrógeno con captura de CO2 mediante la mejora por absorción del reformado de múltiples combustibles con transportadores de oxígeno (HYSERLOOP)» y ha comenzado el 1 de septiembre de 2023.
Más detalles en : info proyecto
Development of Chemical Looping Gasification of microalgae for the 3rd-Generation BioFuels production (CLG-G3BioF)
CLG-G3BioF stands on the EU’s ambitious goals for climate neutrality and a circular economy, and aims at clean and low-carbon utilization of microalgae residue with a very promising CCS technology, called Chemical Looping Gasification (CLG). The project dedicates to the development of the third-generation biofuels (G3BioF) production through the CLG of microalgae and at the same time contributing to EU’s commitment to achieve climate neutrality in 2050.
Project’s goals
Through the project, the applicant will progress as a scientist and gain skills of LCA, complex pilot operation, tar analysis. Together with the supervisor and the host institution, this project is ambitious for a much greener production of biofuels and the results are important to power a sustainable future.
UPDATES OF THE PROJECT:
Producción de hidrógeno con captura de CO2 mediante la mejora por absorción del reformado de múltiples combustibles con transportadores de oxígeno (HYSERLOOP)
La presente propuesta pretende la demostración y evaluación de un nuevo proceso, conocido como sorption enhanced chemical looping reforming (SE-CLR), el cual es un método avanzado con gran potencial para obtener un mayor rendimiento de H2 que los procesos alternativos. La tecnología SE CLR integra los procesos SER y CLR en un único proceso con el que es posible obtener varios productos (H2, CO2 y N2 en corrientes separadas) a partir de múltiples combustibles gaseosos o líquidos. De este modo, se obtiene una sinergia con el potencial de resolver los inconvenientes de los procesos individuales: (a) la integración térmica del proceso SE-CLR evita la necesidad de un suministro de energía externo; y (b) la absorción de CO2 permite obtener una corriente concentrada de H2, mientras que el CO2 se obtiene en una corriente separada.
Nuevo proceso de chemical looping para obtención de CO a partir de CO2 e H2 verde como ruta para la producción de biocombustibles para aviación
The main objective of this project is to evaluate and demonstrate the Chemical Looping CO2 splitting process in a continuous unit to produce CO from CO2 and green H2 as a route for aviation biofuels synthesis.
To achieve this main objective, the following specific objectives have been defined:
– To identify and develop suitable oxygen carriers for the CO2 splitting process.
– To progress in the sale-up of oxygen carriers for the CO2 splitting process.
– To demonstrate the proof-of-concept of the CO2 splitting process in a continuous unit.
– To optimize the design and operating conditions of the CO2 splitting .
Scheme of the CO2 splitting process using green H2 and CO2
