Chemical Looping Combustion (CLC)

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.

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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)

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