planta de obtención de metanol a partir de hidrógeno renovable y dióxido de carbono capturado -...

Plantadeobtencindemetanolapartirdehidrgenorenovableydixidodecarbonocapturado

ndicegeneral

i

ndicegeneraldelproyecto

I.MEMORIA

1.OBJETODELPROYECTO 12.INTRODUCCIN 2 2.1.Motivacindelproyecto 2 2.1.1.Dependenciaenergtica 2 2.1.2.Emisionesdedixidodecarbono 7 2.1.3.Almacenamientodeenergaelctricaexcedente 10 2.1.4.Resumen 132.2.Hidrgeno 14 2.2.1.Propiedadesfsicas 14 2.2.2.Produccinindustrial 15 2.2.2.1.Reformadodegasnatural 16 2.2.2.2.Oxidacin/Gasificacindehidrocarburospesados 16 2.2.2.3.Gasificacindebiomasa 17 2.2.2.4.Electrlisis 17 2.2.3.Almacenamiento 18 2.2.3.1.Hidrgenolquido 19 2.2.3.2.Hidrgenoapresin 19 2.2.3.3.Hidrurosmetlicos 20 2.2.4.Elhidrgenocomovectorenergtico 21


ndicegeneral

ii

2.3.Dixidodecarbono 23 2.3.1.Propiedadesfsicas 23 2.3.2.Produccinindustrial 24 2.3.2.1.Extraccindepozosdegasnatural 24 2.3.2.2.Recuperacindevaporesdefermentacindeglucosa 24 2.3.2.3.Subproductodelasntesisdeamonaco 25 2.3.2.4.Combustin 25 2.3.2.5.Emisionesindustriales 26 2.3.3.Mtodosdecaptura 26 2.3.3.1.Precombustin 27 2.3.3.2.Oxicombustin 27 2.3.3.3.Postcombustin 27 2.3.4.Almacenamiento 28 2.3.4.1.CO2lquido 28 2.3.4.2.Capturaagranescala 28 2.3.4.3.Almacenamientoenformadeotroscompuestos 30 2.4.Oxgeno 31 2.4.1.Propiedadesfsicas 31 2.4.2.Produccinindustrial 32 2.4.2.1.Destilacinfraccionada 32 2.4.2.2.PressureSwingAdsorption 33 2.4.2.3.Electrlisis 34 2.4.3.Almacenamientoytransporte 34 2.4.3.1.Oxgenolquido 35 2.4.3.2.Oxgenoapresin 35 2.4.3.3.Botellaspresurizadas 35 2.4.3.4.Gaseoductos 36 2.4.4.Aplicaciones 37 2.4.4.1.Industriaqumica 37 2.4.4.2.Industriafarmacutica 38 2.4.4.3.Alimentosybebidas 38 2.4.4.4.Industriadelvidrio,elcementoylacal 38


ndicegeneral

iii

2.4.4.5.Aplicacionesmedicinales 38 2.4.4.6.Industriametalrgica 39 2.4.4.7.Soldadura,corteyrecubrimiento 39 2.4.4.8.Petrleoygas 39 2.4.4.9.Industriapapelera 39 2.4.4.10.Industriaelectrnica 40 2.4.4.11.Aplicacionesambientales 40 2.4.5.Mercadodeloxgeno 402.5.Metanol 41 2.5.1.Propiedadesfsicas 41 2.5.2.Produccinindustrial 42 2.5.2.1.Metanolapartirdegasdesntesis 42 2.5.2.2.MetanolapartirdeCO2 44 2.5.3.Almacenamientoytransporte 45 2.5.4.Aplicaciones 47 2.5.4.1.Industriaqumica 47 2.5.4.2.Metanolcomocombustible 48 2.5.5.Elmetanolcomovectorenergtico 50 2.5.6.Mercadodelmetanol 513.EMPLAZAMIENTO 56 3.1.Seleccingeneraldelemplazamiento 56 3.1.1.Comunicacionesyaccesibilidad 56 3.1.2.Manodeobra 59 3.1.3.Subvenciones 60


ndicegeneral

iv

3.2.Alternativadeemplazamiento1:PolgonodePenapurreira 61 3.2.1.Disponibilidaddeterreno 61 3.2.2.Perfilempresarial 61 3.2.3.Infraestructuras 62 3.2.4.Reddesuministrosyservicios 623.3.Alternativadeemplazamiento2:colindantealacentraltrmica 63 3.3.1.Disponibilidaddeterreno 63 3.3.2.Infraestructuras 64 3.3.3.Reddesuministrosyservicios 643.4.Seleccindealternativa 653.5.Mapas 654.DESCRIPCINDELPROCESO 68 4.1.Objetivodeproduccin 684.2.Materiasprimas 684.3.Productos 704.4.Utilidades 714.5.Descripcindelproceso 72 4.5.1.Seccin100:Produccinyacondicionamientodereactivos 72 4.5.1.1.Electrlisis 72 4.5.1.2.Acondicionamientoyalmacenamientodeoxgeno 73 4.5.1.3.Acondicionamientodehidrgenoydixidodecarbono 74


ndicegeneral

v

4.5.2.Seccin200:Reaccindesntesis 75 4.5.2.1.Acondicionamientodelaalimentacinalreactor 75 4.5.2.2.Reaccin 76 4.5.2.3.Preenfriamientodelosgasesdesalida 77 4.5.3.Seccin300:Separacinypurificacindelproducto 77 4.5.3.1.Condensacindemetanolacuoso 77 4.5.3.2.Destilacin 78 4.5.3.3.Almacenamientodemetanol 785.DESCRIPCINDELAINSTALACIN 79 5.1.Seleccindeequipos 79 5.1.1.Reactordesntesisdemetanol 79 5.1.1.1.Reactorentresfases 79 5.1.1.2.ReactoradiabticotipoQuenchdelechofijo 81 5.1.1.3.Reactorisotrmicotubulardelechofijo 82 5.1.1.4.Seleccindelreactor 83 5.1.2.Columnadedestilacin 84 5.1.2.1.Columnasdeplatos 84 5.1.2.2.Columnasderelleno 86 5.1.2.3.Seleccindelacolumna 89 5.1.3.Intercambiadoresdecalor 90 5.1.3.1.Intercambiadoresdetubodoble 90 5.1.3.2.Intercambiadoresdecarcasaytubos 90 5.1.3.3.Intercambiadorescompactos 92 5.1.3.4.Intercambiadoresdeplacasyarmazn 92 5.1.3.5.Intercambiadoresregenerativos 94 5.1.3.6.Seleccindeintercambiadores 94 5.1.4.Compresores 95 5.1.4.1.Compresoresdedesplazamientopositivo 95 5.1.4.2.Compresoresdinmicos 96 5.1.4.3.Seleccindecompresores 97


ndicegeneral

vi

5.1.5.Bombas 98 5.1.5.1.Bombasdedesplazamientopositivo 99 5.1.5.2.Bombasdinmicos 100 5.1.5.3.Seleccindecompresores 1005.2.Descripcindelosequipos 101 5.2.1.Reactordesntesisdemetanol 101 5.2.1.1.ReactorR201 101 5.2.2.Columnadedestilacin 102 5.2.2.1.ColumnaT301 102 5.2.3.Intercambiadoresdecalor 102 5.2.3.1.IntercambiadorE101 102 5.2.3.2.IntercambiadorE102 103 5.2.3.3.IntercambiadorE103 103 5.2.3.4.IntercambiadorE104 104 5.2.3.5.IntercambiadorE105 105 5.2.3.6.IntercambiadorE201 105 5.2.3.7.CondensadorE202 106 5.2.3.8.CondensadorE301 106 5.2.3.9.IntercambiadorE302 107 5.2.3.10.IntercambiadorE303 108 5.2.4.Compresores 108 5.2.4.1.CompresorC101 108 5.2.4.2.CompresorC102 109 5.2.4.3.CompresorC103 109 5.2.4.4.CompresorC201 109 5.2.4.5.CompresorC202 110 5.2.5.Bombas 110 5.2.5.1.BombaP101A/B 110 5.2.5.2.BombaP301A/B 110 5.2.6.Mezcladores 111 5.2.6.1.MezcladorM201 111 5.2.6.2.MezcladorM202 111


ndicegeneral

vii

5.2.7.Depsitos 112 5.2.7.1.DepsitodeoxgenoTK101 112 5.2.7.2.DepsitodemetanolTK301 112 5.2.8.Electrolizadores 113 5.2.8.1.GrupodeelectrolizadoresEL101 113 5.2.9.Plantadesmineralizadora 113 5.2.9.1.Plantadesmineralizadoradeagua 1135.3.Resumendeequiposenlainstalacin 1146.CONTROLEINSTRUMENTACIN 115 6.1.Introduccin 1156.2.Lazosdecontrol 119 6.2.1.LazodecontrolF101 119 6.2.2.LazodecontrolA201 119 6.2.3.LazodecontrolL201 120 6.2.4.LazodecontrolP209 121 6.2.5.LazodecontrolT209 122 6.2.6.LazodecontrolL301 122 6.2.7.LazodecontrolP301 123 6.2.8.LazodecontrolT303 124 6.2.9.LazodecontrolL302 124 6.2.10.LazodecontrolT308 1256.3.Indicadores 1266.4.Alarmas 1266.5.Sistemasdealivio 127


ndicegeneral

viii

7.NORMAS,LEGISLACINYCDIGOSDEDISEO 129 7.1.Normas 129 7.1.1.Referentesalaconstruccin 129 7.1.2.Referentesalainstalacinelctrica 130 7.1.3.Referentesalaseguridadysalud 131 7.2.Legislacin 131 7.2.1.Referentealaconstruccin 131 7.2.2.Referentealaelectricidad 131 7.2.3.Referentealmedioambiente 132 7.2.4.Referentealaseguridad 1347.3.Cdigosdediseo 137 7.3.1.Generales 137 7.3.2.Diseodebombas 137 7.3.3.Diseodeintercambiadoresdecalor 138 7.3.4.Diseodedepsitos 138 7.3.5.Diseodetuberas 138 7.3.6.Diseodecompresores 1388.ANLISISMEDIOAMBIENTAL 139 8.1.Fasedeconstruccin 139 8.1.1.Contaminacinatmosfrica 139 8.1.2.Contaminacindeaguas 140 8.1.3.Contaminacindesuelos 141 8.1.4.Contaminacinacstica 141


ndicegeneral

ix

8.2.Fasedeexplotacin 142 8.2.1.Emisionesgaseosas 142 8.2.1.1.Emisionesgaseosascontinuas 142 8.2.1.2.Emisionesgaseosasdiscretas 144 8.2.2.Emisioneslquidas 144 8.2.2.1.Emisioneslquidascontinuas 144 8.2.2.2.Emisioneslquidasdiscretas 145 8.2.3.Residuosslidos 146 8.2.4.Contaminacinacstica 1469.ESTUDIODESEGURIDADYSALUD 147 9.1.Caractersticasdelaobra 147 9.1.1.Descripcindelaobra 147 9.1.2.Interferenciasyserviciosafectados 147 9.1.3.Unidadesconstructivas 1479.2.Riesgosymedidasdeproteccinderivadosdelemplazamiento 148 9.2.1.Accesos 148 9.2.2.Propiedadescolindantes 148 9.2.3.Conduccionesdeagua 148 9.2.4.Lneaselctricasenterradas 149 9.2.5.Concentracioneshumanas 1499.3.Anlisisderiesgosprofesionalesdurantelaejecucindelaobra 149 9.3.1.Anlisisderiesgosmotivadosporunidadesconstructivas 149 9.3.2.Anlisisderiesgosoriginadosporinstalacionesajenas 154 9.3.3.Anlisisderiesgoaterceros 154


ndicegeneral

x

9.4.Disposicionesmnimassobreseguridadysaludenlaobra 155 9.4.1.Disposicionesmnimasgenerales 155 9.4.2.Disposicionesmnimasenelinteriordeloslocales 162 9.4.3.Disposicionesmnimasenelexteriordeloslocales 1649.5.Medidaspreventivasyproteccionestcnicas 170 9.5.1.EquiposdeProteccinIndividual(EPIs) 170 9.5.2.Proteccionescolectivas 173 9.5.3.Formacin 176 9.5.4.Medicinapreventivayprimerosauxilios 1769.6.Seguridaddurantelaconstruccindelaplanta 177 9.6.1.Obligacionesdelaspartesimplicadas 177 9.6.2.Anlisisderiesgos 177 9.6.3.Normasdeactuacinpreventiva 178 9.6.3.1.Previasaliniciodelaobra 178 9.6.3.2.Durantelaobra 179 9.6.4.Organizacingeneraldeseguridadenlaobra 180 9.6.4.1.Partesdeaccidentesydeficiencias 1809.7.Seguridaddurantelaoperacindelaplanta 181 9.7.1.Programasdeseguridad 183 9.7.2.Programasdesalud 183 9.7.3.Programasmdicos 184 9.7.4.Programasdeproteccinpersonal 184 9.7.5.Programasdeseguridaddelosproductos 1849.7.6.Recomendacionesdeseguridad 185 9.7.6.1.Sistemasdeintercambiodecalor 185 9.7.6.2.Sistemasdedescargadepresin 185 9.7.6.3.Bombas,tuberasyvlvulas 186 9.7.6.4.Almacenamientoendepsitos 186


ndicegeneral

xi

9.7.6.5.Tomademuestras 186 9.7.7.Actuacionescontraincendios 187 9.7.8.PlandeEmergencia 18910.BIBLIOGRAFA 190 10.1.Bibliografageneral 19010.2.Bibliografaespecfica 191 10.2.1.Diseodelreactordesntesisdemetanol 191 10.2.2.Diseodelacolumnadedestilacin 191 10.2.3.Diseodeintercambiadoresdecalor 191 10.2.4.Diseodecompresores 192 10.2.5.Diseodebombas 192 10.3.Artculosdereferencia 192


ndicegeneral

xii

II.ANEXOS

ndicedeanexos 194AnexoA.Clculosjustificativos 195 A1.Reactordesntesisdemetanol 196 A2.Columnadedestilacin 227 A3.Intercambiadoresdecalor 244 A4.Compresores 283 A5.Bombas 292 A6.Depsitos 298 A7.Mezcladores 304 A8.Electrolizadores 309 A9.Plantadesmineralizadora 315 A10.Tuberas 319 A11.Diseomecnico 327


ndicegeneral

xiii

AnexoB.ProgramasdeMatlab 334 B1.Reactordesntesisdemetanol 335 B2.Intercambiadoresdecalor 344 B3.Mezcladores 352 B4.Compresores 359AnexoC.SimulacinenHysys 364 C1.Columnadedestilacin 365AnexoD.Descripcindecorrientes 372 D1.Seccin100 373 D2.Seccin200 376D3.Seccin300 380 D4.Tabladecorrientesgeneral 383AnexoE.Viabilidadeconmica 387 E1.Viabilidadeconmica 388AnexoF.Presupuesto 413


ndicegeneral

xiv

F1.Presupuesto 414AnexoG.Pliegodecondiciones 421 G1.Pliegodecondicionesgenerales 422 G2.Pliegodecondicionesparticulares 486AnexoH.FichasdeSeguridad 541


ndicegeneral

xv

III.PLANOSPlano1:EmplazamientoPlano2:DiagramadeflujoPlano3:DiagramaP&IPlano4:PlanodeImplantacinPlano5:DiagramaP&Idelaplantadesmineralizadora.

I.MEMORIA


ndicedelamemoria

ndicedelaMemoria 1.OBJETODELPROYECTO 1 2.INTRODUCCIN 2 3.EMPLAZAMIENTO 56 4.DESCRIPCINDELPROCESO 68 5.DESCRIPCINDELAINSTALACIN 79 6.CONTROLEINSTRUMENTACIN 115 7.NORMAS,LEGISLACINYCDIGOSDEDISEO 129 8.ANLISISMEDIOAMBIENTAL 139 9.ESTUDIODESEGURIDADYSALUD 147 10.BIBLIOGRAFA 190


Memoria1

1. OBJETODELPROYECTO.

El presente proyecto tiene como objeto el diseo de una planta para la

obtencindemetanolapartirdedixidodecarbonocapturadoehidrgenoproducido

por electrlisis del agua. Se desarrollar el diseo bsico de los equipos principales,

prestando especial atencin al reactor de sntesis de metanol, y se detallar el

funcionamientode laplantapropuestaenbasea losplanosadjuntos.Lacapacidadde

produccindemetanoldelaplantadiseadaesde90,7toneladasdiarias.

El peticionario de este proyecto, titulado Planta de obtencin de metanol a

partir de hidrgeno renovable y dixido de carbono capturado, es la Escuela Tcnica

Superior de Ingeniera mediante el Departamento de Ingeniera Qumica de la

UniversidaddeSantiagodeCompostela.steconstituyeelProyectoFindeCarrerapor

elqueDonHernnFernndezBarrialesLpezoptaalttulodeIngenieroQumicoporla

UniversidaddeSantiagodeCompostela.


Memoria

2

2.INTRODUCCIN.

2.1.Motivacindelproyecto.

Elsistemaenergticoespaolarrastradesdehaceaosunaseriedeproblemas

queamenazanlaestabilidaddelsuministrofuturoascomoelmedioambiente.Algunas

de las cuestiones ms apremiantes son la dependencia energtica del exterior en

materia de petrleo e hidrocarburos, la dificultad del almacenamiento de energa

excedente y el impacto medioambiental asociado a las emisiones de gases

contaminantesencentralestrmicasydeciclocombinado.

Ante lasperspectivas futurasdeunencarecimientodelpreciodel combustible

importadoydeundaoquizs irreversiblesobreelmedioambiente,sedebehacerun

esfuerzo colectivo para revertir la situacin mediante estrategias para el ahorro

energticoyusoeficientede laenerga, ladisminucinde ladependenciadelexterior

para satisfacer nuestra demanda energtica fomentando estrategias de

autoabastecimiento, el desarrollo de tecnologas menos contaminantes y el

almacenamientoeficientedeenergaelctricaexcedente.

El proyecto desarrollado a continuacin ofrece una solucin combinada a los

tresproblemasplanteados,reutilizandoemisionesindustrialesdedixidodecarbonoen

laobtencindeunlquidocombustible(metanol)porreaccinconhidrgenoobtenido

porelectrlisis(pudindoseusarcomoalmacenamientodeenergaelctricaexcedente).

2.1.1.Dependenciaenergtica.

La dependencia energtica se define como la relacin entre el consumo de

recursosenergticosajenosyel consumo totalanivelestatal.Es importante teneren

cuentaqueenlasestadsticasoficialesseincluyelaenerganuclearproducidaenEspaa

como autctona, si bien el combustible necesario para operar dichas plantas es

importado.


Memoria

3

Tomando datos del ao 2010 (extrados del informe Sostenibilidad en Espaa

2011, [1]) la dependencia energtica nacional ascenda al 74,1%. Ese 25,9% de

autoabastecimientoalcanzadoseobtuvoprincipalmentemedianteenerganuclear(48%

delaenergaautctona),energasrenovables(44%),yenmenormedida,carbn(8%).Si

seexcluyeelaportedelaenerganuclear(lacualdependetotalmentedelexteriortanto

pormaterias primas, proceso de enriquecimiento de lasmismas y tecnologa base) el

gradodedependenciaenergticarealdelpasasciendeal86,5%.

Si bien la dependencia energtica se ha ido reduciendo sensiblemente desde

que en 2007 tocara techo (superando la barrera del 80% considerndose la energa

nuclear como propia), se antoja necesaria la introduccin de nuevos mtodos para

promover el autoabastecimiento as como el ahorro energtico. Si se realiza una

comparacinconel restodepaseseuropeos (Grfica2.2)seobservacomoEspaase

encuentra en el grupo de cola en autoabastecimiento energtico, solo superado por

pasescomoPortugal(80,9%dedependencia),Italia(82,9%)eIrlanda(88%).

Grfica2.1.EvolucinhistricadelgradodedependenciaenergticaenEspaa.(Fuente:OSE)

[1]:SostenibilidadenEspaa2011,ObservatoriodelaSostenibilidadenEspaa[2011].

SOSTENIBILIDAD EN ESPAA 2011228

CAPTULO 6CAMBIO CLIMTICO Y ENERGA

Carbn (8%) Gas natural (0,04%) Petrleo (0,4%) Nuclear (48%) Energas Renovables (44%)

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

FIGURA 6.5.1. Produccin nacional de energa primariaen Espaa. 2010. [Fuente] Elaboracin OSE a partir de la Secretaria de Estado deEnerga, Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, 2011.

FIGURA 6.5.2. Evolucin del grado de dependencia energtica. 1990-2010.[Fuente] Elaboracin OSE a partir de MITYC Libro de la energa2010, 2011.

En el marco de la unin Europea (UE-27), el grado dedependencia energtica del ao 2009 aument un0,8% respecto al ao anterior y se situ en 53,9%.Espaa con un 79,4% de dependencia energtica con-tinu mantenindose por encima de la media euro-pea. Los estados miembros que superaron el gradode dependencia energtica espaola fueron: Portugal(80,9%), Italia (82,9%), Chipre (97,3%), Luxemburgo(97,6%) y Malta (101,8%) (Figura 6.5.3).

No se dispone de datos generalizados de este indicadoren el mbito regional para llevar a cabo este anlisis.

FIGURA 6.5.3. Dependencia energtica de los pases de laUE-27. Ao 2009. [Fuente] Elaboracin OSE a partir de datos de Eurostat, 2011.

120

100

80

60

40

20

0

-20

-40

Bl

gica

Bul

garia

Rep

. Che

caDin

amar

caAl

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toni

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Gre

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Espa

aFr

ancia

Italia

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Leto

nia

Lith

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burg

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Mal

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ses

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nia

Portug

alRum

ana

Eslo

veni

aEs

lova

quia

Finl

andi

aSu

ecia

Rei

no U

nido

Cro

acia

Turq

ua

74,2

45,3

26,9

-18,8

61,6

21,2

8867,

879,

451,

382,

997,

358,

851,

297,

658,

8101

,836,

565,

031,

780,

920,

349,

066,

454,

437,

426,

651,

170,

4

EVALUACIN

Menor dependencia energtica. La mayor participa-cin de energas renovables en el mix energtico delao 2010 fue una de las claves para la reduccin dela dependencia energtica registrada durante elao. Mientras que en el ao 2009 el grado de autoa-bastecimiento del sistema energtico espaol supo-na el 22,8% de nuestro consumo final de energa, acierre de 2010 este ratio ascenda al 25,9% delmismo, lo que supuso una mejora de 3,1% con res-pecto al ao anterior. Este es un dato positivo ya quela escasa presencia de yacimientos de energa pri-maria fsil en Espaa ha supuesto histricamenteuna elevada tasa de dependencia energtica queintroduce riesgos adicionales sobre los procesos

productivos, como la volatilidad de los precios de losmercados internacionales.

Como recoge el indicador de Participacin de energade fuentes renovables, la evolucin del mix energticohacia tecnologas ms limpias para la produccinelctrica, produjo en el balance de 2010 una mejora delas emisiones de CO2 por GWh producido respecto alao anterior. Gracias al esfuerzo del sector energticoas como a la poltica energtica puesta en marcha porel Gobierno durante estos ltimos aos, centrada en laintensificacin del ahorro y la eficiencia energtica, laapuesta por las energas renovables y paulatina susti-tucin de las tecnologas ms contaminantes en lageneracin elctrica, estamos ms cerca de cumplirdichos objetivos medioambientales de cara a 2020.

La Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energtica en Espaa 2004-2012 (E4) se public en noviembre de 2003 a con-secuencia de la situacin energtica espaola (fuerte incremento del consumo energtico, disminucin del gradode autoabastecimiento e incremento de la intensidad energtica). El objetivo busca alcanzar unos ahorros de69.950 ktep de energa primaria y de 41.989 ktep de energa final en el periodo 2004-2012.

Estrategia Europa 2020 para un crecimiento inteligente. El objetivo referente al clima y la energa para la UE ylos Estados es reducir un 20% las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), aumentar un 20% la parte delas energas renovables en el consumo final de energa de la Unin Europea y lograr el objetivo de incremento del20% de eficiencia energtica, como mnimos en 2020.

Hoja de Ruta 2050 de la UE hacia una economa hipocarbnica o baja en carbono. Incluyendo las medidas y accio-nes para conseguir una reduccin en la emisin de GEI de ms del 80% en 2050, con reducciones intermedias dems del 25%-40%-60% en 2020, 2030, 2040 respectivamente, implicando un sector elctrico totalmente descar-bonizado en 2050 basado fundamentalmente en las renovables.

Hoja de Ruta 2050 de la UE para la Energa. Que se espera proponga la Comisin en el otoo de 2011 y en la quese espera que la Comisin adems de reforzar el papel la eficiencia energtica y de las renovables incidiendo enlos instrumentos comunitarios para conseguirlo, concrete los planteamientos en cuanto al papel que pretendeque jueguen otras fuentes de energa, como el llamado carbn limpio y la nuclear, que aun siendo fuentes con-sideradas bajas en carbono no entran dentro de la consideradas sostenibles.


Memoria

4

Grfica2.2.ComparativadelgradodedependenciaenergticaporpasesdelaUE.(Fuente:OSE)

Lamayorpartede las importacionesenergticasseatribuyenalpetrleoysus

derivados,conel63%,seguidodelgasnatural(32%)ymsdelejosporelcarbn(5%).

La Tabla 2.1 detalla el consumo energtico nacional por tipo de energa primaria,

desglosndoseenaportacinnacionaleimportaciones,paraelao2010.

Tabla2.1.Consumoenergticototal(enktep)porfuentedeenergayorigen.(Fuente:MinisteriodeIndustria,ComercioyTurismo,MICyT)

Energa Consumototal Nacional Importado %delimportado

Carbn 8.463 3.448 5.015 5,1

Petrleo 62.540 126 62.414 63,4

GasNatural 31.003 55 30.948 31,5

Nuclear 16.155 16.155 0 0

Renovables 14.678 14.678 0 0

Total 132.839 34.462 98.377 100

SOSTENIBILIDAD EN ESPAA 2011228

CAPTULO 6CAMBIO CLIMTICO Y ENERGA

Carbn (8%) Gas natural (0,04%) Petrleo (0,4%) Nuclear (48%) Energas Renovables (44%)

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

FIGURA 6.5.1. Produccin nacional de energa primariaen Espaa. 2010. [Fuente] Elaboracin OSE a partir de la Secretaria de Estado deEnerga, Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, 2011.

FIGURA 6.5.2. Evolucin del grado de dependencia energtica. 1990-2010.[Fuente] Elaboracin OSE a partir de MITYC Libro de la energa2010, 2011.

En el marco de la unin Europea (UE-27), el grado dedependencia energtica del ao 2009 aument un0,8% respecto al ao anterior y se situ en 53,9%.Espaa con un 79,4% de dependencia energtica con-tinu mantenindose por encima de la media euro-pea. Los estados miembros que superaron el gradode dependencia energtica espaola fueron: Portugal(80,9%), Italia (82,9%), Chipre (97,3%), Luxemburgo(97,6%) y Malta (101,8%) (Figura 6.5.3).

No se dispone de datos generalizados de este indicadoren el mbito regional para llevar a cabo este anlisis.

FIGURA 6.5.3. Dependencia energtica de los pases de laUE-27. Ao 2009. [Fuente] Elaboracin OSE a partir de datos de Eurostat, 2011.

120

100

80

60

40

20

0

-20

-40

Bl

gica

Bul

garia

Rep

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Eslo

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Finl

andi

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Rei

no U

nido

Croa

cia

Turq

ua

74,2

45,3

26,9

-18,8

61,6

21,2

8867,

879,

451,

382,

997,

358,

851,

297,

658,

8101

,836,

565,

031,

780,

920,

349,

066,

454,

437,

426,

651,

170,

4

EVALUACIN

Menor dependencia energtica. La mayor participa-cin de energas renovables en el mix energtico delao 2010 fue una de las claves para la reduccin dela dependencia energtica registrada durante elao. Mientras que en el ao 2009 el grado de autoa-bastecimiento del sistema energtico espaol supo-na el 22,8% de nuestro consumo final de energa, acierre de 2010 este ratio ascenda al 25,9% delmismo, lo que supuso una mejora de 3,1% con res-pecto al ao anterior. Este es un dato positivo ya quela escasa presencia de yacimientos de energa pri-maria fsil en Espaa ha supuesto histricamenteuna elevada tasa de dependencia energtica queintroduce riesgos adicionales sobre los procesos

productivos, como la volatilidad de los precios de losmercados internacionales.

Como recoge el indicador de Participacin de energade fuentes renovables, la evolucin del mix energticohacia tecnologas ms limpias para la produccinelctrica, produjo en el balance de 2010 una mejora delas emisiones de CO2 por GWh producido respecto alao anterior. Gracias al esfuerzo del sector energticoas como a la poltica energtica puesta en marcha porel Gobierno durante estos ltimos aos, centrada en laintensificacin del ahorro y la eficiencia energtica, laapuesta por las energas renovables y paulatina susti-tucin de las tecnologas ms contaminantes en lageneracin elctrica, estamos ms cerca de cumplirdichos objetivos medioambientales de cara a 2020.

La Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energtica en Espaa 2004-2012 (E4) se public en noviembre de 2003 a con-secuencia de la situacin energtica espaola (fuerte incremento del consumo energtico, disminucin del gradode autoabastecimiento e incremento de la intensidad energtica). El objetivo busca alcanzar unos ahorros de69.950 ktep de energa primaria y de 41.989 ktep de energa final en el periodo 2004-2012.

Estrategia Europa 2020 para un crecimiento inteligente. El objetivo referente al clima y la energa para la UE ylos Estados es reducir un 20% las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), aumentar un 20% la parte delas energas renovables en el consumo final de energa de la Unin Europea y lograr el objetivo de incremento del20% de eficiencia energtica, como mnimos en 2020.

Hoja de Ruta 2050 de la UE hacia una economa hipocarbnica o baja en carbono. Incluyendo las medidas y accio-nes para conseguir una reduccin en la emisin de GEI de ms del 80% en 2050, con reducciones intermedias dems del 25%-40%-60% en 2020, 2030, 2040 respectivamente, implicando un sector elctrico totalmente descar-bonizado en 2050 basado fundamentalmente en las renovables.

Hoja de Ruta 2050 de la UE para la Energa. Que se espera proponga la Comisin en el otoo de 2011 y en la quese espera que la Comisin adems de reforzar el papel la eficiencia energtica y de las renovables incidiendo enlos instrumentos comunitarios para conseguirlo, concrete los planteamientos en cuanto al papel que pretendeque jueguen otras fuentes de energa, como el llamado carbn limpio y la nuclear, que aun siendo fuentes con-sideradas bajas en carbono no entran dentro de la consideradas sostenibles.


Memoria

5

Sisetieneencuentalaescaladadepreciosdelbarrildepetrleo(Grfica2.3)y

el horizonte no tan lejano del agotamiento paulatino de las reservas mundiales, la

cantidaddepetrleodemandadoanualmenteresultacuandomenospreocupante.

Grfica2.3.EvolucindelpreciodelbarrildeBrentenlosltimos20aos.(Fuente:MICyT)

DeacuerdocondatosdelMinisteriode Industria,ComercioyTurismo ([2]), el

68,4%deestepetrleo importadosedestinaal transporte (en formadecombustibles

derivados), repartindose el restante 31,6% prcticamente por igual entre industria y

uso domstico. Por ello, en los ltimos aos ha cobrado ms importancia la

investigacinencombustiblesalternativoseinclusoconceptostotalmentenovedososen

medios de transporte, que de alcanzar el desarrollo adecuado podran poner fin o al

menosaliviarlasituacinactualdedependenciaenergtica.

Enmateria de combustibles alternativos, se ha generalizado la produccin de

biocombustibles, procedentes de cultivos de cereales (bioetanol), plantas oleaginosas

(biodiesel)o inclusodeplantacionesdeciertasespeciesforestales.EnEspaaalcanzan

yael6,1%deloscarburantesempleadosenautomocin(datosdeAPPABiocarburantes

para2011),sibientansololadcimapartedeestossondeproduccinnacional,loque

limitasucontribucinalautoabastecimiento.

[2]:LaEnergaenEspaa2010,MinisteriodeIndustria,TurismoyComercio[2011].

PRECIOS DE GASOLINAS

Y GASLEOS

EVOLUCIN MEDIAS ANUALES DEL CRUDO BRENT DATED DESDE 1990

12

20

28

36

44

52

60

68

76

84

92

100

108

116

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

AOS

$/ B

AR

RI L

Fuente: Platts


Memoria

6

El uso de automviles impulsados por motor de combustin de hidrgeno

todavaseencuentralejosdeconvertirseenunarealidad,yaqueelalmacenamientode

este en los vehculos resulta problemtico y se requerira crear una nueva

infraestructuradedistribucinparaelnuevocombustible.

Otraramaqueestencontinuodesarrolloesladelosvehculoselctricos,con

importantes empresas de automvil realizando prototipos que invitan al optimismo,

aunque todava requerirn unos aos para ser competitivos. Entre estos destacan el

motorelctricoalimentadoporbateras(siendoelelevadopesoyreducidaautonoma

destasalgunodelosprincipalesproblemasaresolver)yelmotorelctricoalimentado

porpiladecombustible.Enestaltimasellevaacaboelprocesoinversoalaelectrlisis,

siendoelnicoproductoa la salidadelmotoraguaprcticamentepura. Losprimeros

prototiposcreadosporempresascomoHondasonprometedores,perosufabricacinse

estimaenunos250.000porcochequehaceninviablesuintroduccinenelmercado

enunfuturoprximo.

Por ltimo, y volviendo a los motores convencionales de combustin, se

encuentraelusodemetanolcomocombustible.Estealcohol ligerosepuedeproducir

pornumerosasvas,desdeelreformadodegasnaturalseguidodesntesis(mtodode

fabricacin ms extendido a nivel mundial, pero que de poco servira en materia de

autoabastecimiento energtico) hasta tecnologas renovables para la conversin de

biomasa,metanooinclusodixidodecarbonocapturadoenmetanol.

Lasgrandesventajasdelempleodemetanolcomocombustiblealternativoson

suadecuacinalasinfraestructurasdedistribucinactuales,laposibilidaddeobtencin

a partir de numerosas materias primas (como la biomasa o el CO2, disponibles

prcticamente en cualquier parte del mundo), y las limitadas emisiones de agentes

contaminantes,quesereduciranprcticamenteavapordeaguaydixidodecarbono.

EncasodepartirdeCO2parasintetizarelmetanol,lasemisionesglobalesdedixidode

carbonoasociadasalacombustinserancero.


Memoria

7

Elobjetivodeesteproyectoserlaobtencindemetanolapartirdedixidode

carbono e hidrgeno, contribuyndose de este modo a paliar el problema de

dependencia energtica expuesto. El dixidode carbono ser capturadodeemisiones

industriales,mientrasqueelhidrgenoseobtendrporelectrlisis.Sedeberesaltarque

laenergaempleadaparaproducirlaelectricidadnecesariaenelprocesodeelectrlisis

debe proceder de una fuente renovable, ya que si para alimentar el electrolizador se

debeconsumircombustiblesimportadoselproblemapersistir.

2.1.2.Emisionesdedixidodecarbono.

LaelaboracindelProtocolodeKiotoen1997supusounpuntodeinflexinen

las polticas medioambientales de los pases firmantes. Mediante este acuerdo,

ratificadohasta la fechapor187estados, semarcabaun lmitedeemisionesdegases

contaminantes (en concreto, CO2, CH4, N2O, adems de los hidrofluorocarbonos,

perfluorocarbonos y hexafluroruro de azufre) especfico para cada pas firmante. El

objetivoltimodelprotocoloeslareduccindelosgasestotalesemitidosglobalmente

enalmenosun5%frentealosvaloresde1990,parafinalesdelao2012.

En funcin de las caractersticas de cada pas (grado de desarrollo, evolucin

histrica y crecimiento demogrfico) se fijan distintos porcentajes objetivo, siendo la

responsabilidaddeEspaa limitarel aumentode lasemisionesdedixidode carbono

hastaunmximodel15%respectoavaloresde1990.

Para facilitar el cumplimiento del Protocolo, se puso en funcionamiento un

mercado de derechos de emisin, en el cual los pases productores de dixido de

carbonomsalldesulmiteimpuestopodrncomprarnuevosderechosdeemisinde

otros estados con supervit en este aspecto. Los precios de venta de derechos para

emitirunatoneladadeCO2oscilanentrelos28(valorpico,alcanzadoenJuliode2008)

y los 7 (valor mnimo, a finales de 2011), reflejndose en la Grfica 2.4 la alta

volatilidaddelospreciosenlosltimos4aos.


Memoria

8

Grfica2.4.EvolucindelpreciodeventadederechosdeemisindeCO2entre2008y2011.(Fuente:[3])

Cabedestacarquelacrisiseconmicaglobalexperimentadaduranteelperodo

20082012hatenidounefectoimportantesobreelvolumentotaldeemisionesdegases

contaminantes, debido a la menor actividad industrial asociada a momentos de

contraccineconmica.

EnelcasodeEspaa,ygraciasengranpartealoanterior,setienesupervitde

derechosdeemisin,puestoqueen2011seemitieron132,66millonesdetoneladaspor

los 130,18 millones emitidos en 1990 (+1,9%, frente al +15% fijado por Kioto). En la

siguiente grfica se muestra la contribucin de cada industria a las toneladas finales

emitidasenEspaadurantelosltimos7aos,observndoseclaramentelatendenciaa

labajacausadaporlacrisiseconmica,sibienen2011seincrementaronlasemisiones

con respecto a 2010. La lnea horizontal representa el lmite de emisiones asignado a

Espaapara finalesdelao2012, fijadoen149,7millonesde toneladasdedixidode

carbonoalao.

[3]:LosmercadosdecarbonoenEspaa2011,FactorCO2Trading[2012].

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53


Memoria

9

Grfica2.5.EvolucindeemisionesdeCO2enEspaaporindustria(millonesdetoneladas).(Fuente:[4])

Se observa el gran peso especfico del dixido de carbono en procesos de

combustin,siendoclavesuaportacinalacantidaddeCO2finalemitidacadaao.La

aportacinaesteconceptodelrestodeindustriassemantieneprcticamenteconstante

a lo largo del tiempo, disminuyendo incluso los gases emitidos por ciertas industrias

talescomoladecermicayazulejosoladelcementoycal.

LasituacinactualdelpasrespectoalcumplimientodelProtocolodeKiotoes

buena,yaqueafaltadeunaoparaelanlisisdelcumplimientodeobjetivosfijadospor

dicho Protocolo se encuentra con un supervit de derechos de emisin de CO2. No

obstante,enelhorizontesedebetenerelobjetivodeseguirreduciendoelnmerode

emisionespormotivosmedioambientalesyeconmicos,yaqueseprevquelosprecios

delasemisionesseestabilicenentornoalos20/tonalfinaldeladcada.Teniendoen

cuentaqueseterminelao2011conunsupervitde29,04millonesdetoneladasde

CO2, los beneficios asociados a la ventadederechosdeemisin se estimaranen581

millonesdeeuros.

[4]:Anlisisdelasemisionesverificadasde2011enEspaa,FactorCO2Trading[2012].

c/ Elcano 14, Ppal Izda, 48008 Bilbao 944 240 563 c/ Orense 16, 12 D, 28020 Madrid 915 363 045

C/ Avinguda Roma, 59, 1 2, 08029 Barcelona 932 723 848 [email protected]

2 de 3

Supervit de derechos de emisin en Espaa en 2011

Evolucin histrica de emisiones en Espaa, 2005-2011

o En trminos absolutos: descenso de ms de 50,96 millones de t CO2 en el periodo, concentrado en las instalaciones de combustin (32,05 M t CO2) y, en menor medida, en los sectores del cemento y cal (12,40 M t CO2) y cermico (3,27 M t CO2).

o En trminos porcentuales: descenso en las emisiones del 27,75% en el conjunto de los sectores industriales espaoles, marcado por la evolucin de las instalaciones de combustin (-26,90%), pero con descensos muy acusados en el sector cermico y azulejos (-66,61%).

14,49

5,52

3,72

3,50

1,02

0,73

0,06

0,01

-10,79

-15,00 -10,00 -5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00

Cemento y cal

Siderurgia

Refino

Cermica y azulejos

Pasta y papel

Vidrio y fritas

Calcinacin y sinterizacin

Coquera

Combustin

ESPAA: SUPERVIT DE DERECHOS DE EMISIN EN 2011 (M EUA)

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

EVOLUCIN EMISIONES EU ETS ESPAA, 2005-2011 (M t CO2)

Pasta y papel

Cermica y azulejos

Vidrio y fritas

Cemento y cal

Siderurgia

Calcinacin y sinterizacin

Coquera

Refino

Combustin


Memoria

10

Unodelosobjetivosdelpresenteproyectoeselalmacenamientodedixidode

carbonocapturadodeemisionesindustrialesenformadeunproductolquidodevalor

aadido (metanol), lo cual contribuira a combatir el aumento de emisiones en el

territorio nacional. Si el metanol producido de estemodo se emplea en procesos de

combustinsevolveraemitiralaatmsferaeseCO2capturado,peroelbalanceglobal

seradeunareduccindehastael50%delasemisionesdelsistema,siempreycuando

no se produzca dixido de carbono extra durante el proceso de captura y

almacenamientodelmismo.

2.1.3.Almacenamientodeenergaelctricaexcedente.

Los planes de fomento de la generacin de electricidad a partir de energas

renovablesllevadosacabodurantelosltimosaoshanconvertidoaEspaaenldera

nivelmundialenestamateria.Apesardeello,elsistemaelctricoespaolseencuentra

demasiado sobredimensionado, lo que en ocasiones obliga a vender la produccin de

electricidad excedente a pases vecinos como Francia o Portugal, o en el peor de los

casos, desconectar de la red temporalmente aerogeneradores y otras centrales de

produccindeenergarenovable.La imposibilidadderegular laproduccindeenerga

elctricaprovenientedecentralesnucleareshacequeseanlasenergaslimpiaslasque

tenganqueamoldarsealademanda.

SegndatosdelMinisteriode Industria, TurismoyComercio, lapotencia total

instalada en el pas a finales del ao 2010 ascenda a 98.860 MW siguiendo la

distribucinmostradaen la Tabla2.2. El sobredimensionamientodel sistemaelctrico

espaol se hace patente si se compara esta cifra con la demandapico para elmismo

ao,quesesituenlos44.000MW.


Memoria

11

Tabla2.2.Potenciainstaladayparticipacinenlageneracinelctricaanualportipodeenerga.(Fuente:MICyT)

Energa PotenciaInstalada(MW) Participacinengeneracin(%)

Carbn 11.529 8,1

Petrleo 2.097 1,4

GasNatural 32.765 33,7

Nuclear 7.777 21,8

Hidrulica 19.552 16,0

Elica 20.057 15,3

Solar 4.140 2,4

Biomasa 943 1,3

Total 98.860 100

El sobredimensionamiento del sistema es en todos los casos necesario para

cubrirposibleseventualidades,especialmentecuandosetieneunpesotan importante

de energas renovables instaladas de disponibilidad no predecible. Pero la gran

diferencia entre potencia instalada y demanda pico de energa da como resultado

prdidas de eficiencia energtica y en algunos casos desperdicio de energa (p.ej.;

desconexindeaerogeneradoresporfaltadedemanda).

LasestimacionesdeRedElctricaEspaolaauguranunhorizontedesalentador

debido precisamente al citado sobredimensionamiento del sistema, esperndose que

entreel2yel4%delaenergaelicaproducidaenelpassedesperdiciarporfaltade

demandanacionaldeelectricidadeimposibilidaddevenderesteexcedentealospases

vecinos. Este horizonte se planteara especialmente en horario nocturno, cuando la

demandadeenergaelctricacaeylacapacidadpotencialdeproduccindeelectricidad

delosaerogeneradoressemantieneconstante([5]).

Porotraparte,yadiferenciadelcasodelaenergaprimaria,Espaaesunpas

exportadordeenergaelctrica.SegnelanuariodeREE([6]),seterminelaoconun

balance de exportaciones globales de 6.097GWh (Tabla 2.3), con un precio de venta

mediodelMWhqueoscilentrelos5y15.Estacantidadesnotablementeinferioral

[5]:Informesobrelaintegracindegeneracinrenovableamedioplazoparaelperiodo20092014,RedElctricaEspaola[2008].[6]:SistemaElctricoEspaol2011,RedElctricaEspaola[2012].


Memoria

12

preciomediodelaelectricidadparausos industrialesfijadaenunos37/MWh,por lo

que en determinadas condiciones podra ser ms interesante el almacenamiento de

dichaenergaexcedenteenlugardesuexportacin.

Tabla2.3.Resumendelosintercambiosdeenergaelctricaconpasesvecinosen2010.(Fuente:REE)

Pas Importacin(GWh) Exportacin(GWh) Saldo(GWh)

Francia 4.493 2.982 1.511

Portugal 1.635 4.445 2.810

Andorra 0 350 305

Marruecos 5 4.498 4.493

Total 6.133 12.230 6.097

El almacenamiento de energa elctrica se ha llevado a cabo histricamente a

partirdebaterasdecompuestosqumicos.Lasprincipalesdesventajasparaalmacenar

grandes caudales elctricos por este mtodo son las asociadas a los compuestos

contaminantesquelasconforman,ladificultaddereciclajecuandohansuperadosuvida

til,suelevadopeso,ylaseficienciasrelativamentebajas(entornoal75%teniendoen

cuentaelprocesodedescargadelabateraamedidaquetranscurreeltiempo).

Otros mtodos de almacenamiento que estn ganando peso son los

determinados procedimientos mecnicos, tales como los ciclos de compresin

descompresin de aire, el bombeo de agua entre embalses a diferentes alturas

(rendimiento de entre el 64 y el 80%), o las ruedas inerciales (hasta el 90% de

rendimiento, pero con poca autonoma de almacenamiento). Los mtodos trmicos

consisten en el calentamiento de substancias con alta inercia trmica, pudindose

almacenarenergaconeficienciasdeentreel80yel90%.(Datosdeeficienciastomados

de[7]).

La planta que se disear en el presente proyecto podra actuar como un

sumiderodeenergaelctrica,dotandoalamismadedepsitosdehidrgenoapresin

para poder asumir flujos de energa elctricos superiores a los necesarios para la

[7]:AlmacenamientodeEnerga:DesarrollosTecnolgicosyCostos,F.Valdovinos,R.Otrola[2008].


Memoria

13

operacindel procesoenestadoestacionario.Deestemodo, la energa excedente se

emplearaenrealizar laelectrlisisdelaguaparalaobtencindehidrgenoyoxgeno,

almacenndose el primero para ser usado en el proceso continuo de formacin de

metanol.Laprincipalventajadeestemtodoeslaproduccindeuncompuestoqumico

lquido, de alta capacidad calorfica y que puede ser reutilizado para la produccin

posteriordeelectricidadencasodenecesidad.Elalmacenamientodelmetanol lquido

es mucho ms sencillo que el del hidrgeno sin procesar, pues no requiere altas

presionesnidepsitosespecialmentegrandesencomparacincon lasnecesidadesdel

hidrgenoapresin.

2.1.4.Resumen.

La relacin que el presente proyecto guarda con los problemas del sistema

energtico espaol descritos en los apartados previos se resumen en el siguiente

diagrama:

Diagrama2.1.Relacionesentreelproyectorealizadoylosproblemasdelsistemaenergticoespaol.

AUTOABASTECIMIENTOENERGTICO

EMISIONESINDUSTRIALES

ELECTRICIDADEXCEDENTE

SNTESIS DE METANOL

H2CO2

METANOL

Captura de CO2 Electrlisis


Memoria

14

2.2.Hidrgeno.

2.2.1.Propiedadesfsicas.

Elhidrgenoeselprimerelementodelatablaperidicayelmsabundanteen

eluniverso,representandoel90%delostomostotalessegnrecientesestimaciones.

DescubiertoporCavendishen1766comounanuevasubstanciadistintadelaire, sera

Lavoisierquienrealizasesuprimeracaracterizacinylediesenombre.

El istopo ordinario, Protio, consta de un protn y un electrn, y supone el

99,98%delhidrgenototal,aunqueexistenotrosdosistoposqueserandescubiertosa

lo largodelsigloXX.EstossonelDeuterio,compuestoporunprotn,unelectrnyun

neutrn,yelTritio (1protn,1electrny2neutrones),siendoesteltimoinestabley

radioactivo.

Elhidrgenoseencuentranormalmenteenformademolculadiatmica(H2)y

tienelassiguientespropiedadesfsicas:

Tabla2.4.Propiedadesfsicasdelhidrgenomolecular,H2.(Fuente:[8])

Masamolecular(g/mol) 2,016

Longituddeenlace(pm) 74,6

Energadedisociacin(eV) 4,473

Temperaturadelpuntotriple(K) 13,9

Presindelpuntotriple(kPa) 7,2

Temperaturacrtica(K) 33,2

Presincrtica(kPa) 1.298

Puntodeebullicinnormal(K) 20,3

Densidaddellquido(kg/m3,c.n.) 70,811

Densidaddelvapor(kg/m3,c.n.) 1,361

Calordevaporizacin(J/mol,a20,3K) 910

[8]:HydrogenasaFutureEnergyCarrier,A.Zttel,A.Borgschulte,L.Schlapbach[2008].


Memoria

15

Existendosconfiguracionesparalamolculadehidrgeno,elortohidrgenoy

el parahidrgeno.Ambos se combinan a temperatura atmosfrica en una proporcin

3:1conrespectoalprimero,dandolugaralaspropiedadesmediasdescritasenlaTabla

2.4(noobstante,lascaractersticasdeunoyotrodifierenmnimamente).

El hidrgeno es el compuesto ms ligero, as como el de mayor capacidad

calorficaycapacidaddedifusin.Lainteraccinintermolecularenelhidrgenoesdbil

sisecomparaconladeotrosgases,locualmarcasubajatemperaturacrtica.

Encuantoalaspropiedadesmacroscpicas,setratadeungasincoloro,inodoro

e inspido.No se conocen efectos adversos en los seres humanos ante su exposicin,

siendo eso si un gas inflamable. No induce corrosin, aunque si puede provocar

fragilizacin de materiales en presencia de agua. Tiene un gran poder calorfico por

unidaddemasa,peromuyreducidoporunidaddevolumen.

2.2.2.Produccinindustrial.

El hidrgeno es el dcimo elemento ms abundante en la corteza terrestre,

conformandoagua,hidrocarburos,alcoholes,yotrosmuchoscompuestos.Sinembargo,

elhidrgenodiatmicoesextremadamenteescasoenlaatmsfera(concentracionesdel

orden de 1 ppm), por lo que para la obtencin de este ser necesario un proceso de

extraccinapartirdealgunodeloscompuestosanteriormentecitados.

La produccin mundial de hidrgeno en 2011 rond los 60 millones de

toneladas, siendo lamayor parte de estas producidas a partir de combustibles fsiles

porprocesosde reformado, si bienexistenotras tecnologaspara suobtencin. Entre

ellasdestacanlaelectrlisisylatermlisisdelagua,ascomoprocedimientosbiolgicos

comolafermentacindebiomasaolabiofotlisis.

Se resumirn brevemente las tecnologas empleadas a nivel industrial para la

obtencindehidrgeno.


Memoria

16

2.2.2.1.Reformadodegasnatural.

Elgasnaturalsesometeaunacorrientedevaporaaltatemperatura(entre700

y 1100 C), obtenindose como resultado una mezcla de hidrgeno y monxido de

carbono con cierta presencia de CO2. Se trata del proceso ms extendido para la

produccindehidrgenoanivelmundialporelcosterelativamentebajodelamateria

prima. Adems, el gas de sntesis obtenido (ecuacin 2.1.) posee la relacin

estequiomtrica ptima para su posterior conversin a metanol. Las reacciones

qumicasimplicadassemuestranacontinuacin:

! + ! + 3! [2.1] + ! ! + ! [2.2]! + ! 2 + 2! [2.3]

2.2.2.2.Oxidacin/Gasificacindehidrocarburospesados.

En un primer momento se oxida el hidrocarburo para formar monxido de

carbonoyagua.Laposteriorinyeccindevapordeaguaylalimitacindelapresencia

deoxgenofavorecenlareaccin2.5porlaqueseproducemsmonxidodecarbonoe

hidrgeno.

!! + !!!!! ! + !!! [2.4]!! + ! + !!!!! ! [2.5]

Elproductodesalidarealesunamezcladexidosdecarbono,hidrgeno,agua

ehidrocarburosligerosquenohansidooxidadoscompletamente,loquerequeriruna

etapa de purificacin posterior para la obtencin de hidrgeno de una determinada

pureza.


Memoria

17

2.2.2.3.Gasificacindebiomasa.

La biomasa se compone bsicamente de tomos de carbono, oxgeno e

hidrgeno, que pueden ser parcialmente oxidados por el proceso conocido como

gasificacin.Setratadeunareaccinglobalmenteendotrmica,por loquepartede la

biomasaserempleadaenaportarcaloralprocesoporoxidacintotal.Latemperatura

alaquesellevaacaboelprocesoesdeentre700y900Cparaevitarlacoquizacinde

labiomasayconsiguientedaoalreactor.

Laecuacinglobalquedescribeelprocesoeslasiguiente:!,!!,! + 0,4! 0,7 + 0,3! + 0,6! + 0,1! [2.6] siendo CH1,4O0,6 la frmula general de la biomasa. En la ecuacin 2.6 se

encuentranincluidoslosprocesosdeoxidacinparcialytotaldelcombustible.

Al igual que en el punto anterior, se requerir un posterior tratamiento de la

corrientedesalidaparaobtenerelhidrgenopurificado.

2.2.2.4.Electrlisis.

La electrlisis del agua consiste en la segregacin de los elementos

constituyentes de la molcula mediante la aplicacin de un campo elctrico. Los

electrolitos empleados a escala industrial suelen estar compuestos por hidrxido de

potasio, si bien los materiales de construccin dependern en gran medida de las

necesidadesdeproduccindelosequipos.

Lasecuacionesdeoxidacinreduccinqueseproducenenlaceldaelectroltica

semuestranacontinuacin:

2!"! + 2! !! [2.7] 2!!"# !! + 4!"! + 4! [2.8] = 2! 2! + ! [2.9]


Memoria

18

Para llevar a cabo la electrlisis se debe aplicar una diferencia de potencial

elevadaentrelosextremosdelacelda,siendounprocesoeconmicamentecostoso.A

cambio, se obtienen hidrgeno y oxgeno como productos de alta pureza (con

especificacionesdesalidacercanosal99,9%decontenidoenvolumen).

Adiferenciadelosotrosmtodosdeproduccindehidrgenoempleadosagran

escala, el proceso de electrlisis puede usar energa renovable al mismo tiempo que

evita la emisin de gases contaminantes. La otra gran ventaja es que se utiliza como

nicamateriaprimaaguaconunpequeotratamientodedesmineralizacin,alalcance

todoellodecualquieremplazamientoindustrialdelplaneta.

2.2.3.Almacenamiento.

Elalmacenamientodehidrgenohasidodesdesiempreunode losprincipales

problemas para su introduccin en elmercado de los combustibles. La baja densidad

energtica por unidad de volumen convierte el almacenamiento de hidrgeno en

condiciones atmosfricas en un mtodo totalmente inviable para estas aplicaciones.

Para hacerse una idea de la problemtica, para almacenar una cantidad de energa

equivalente,elhidrgenonecesitaraundepsitodevolumen3.000vecessuperioralde

unodegasolina.Estomarcalasnecesidadesdeunalmacenamientoespecial,yaseapor

compresin,licuefaccin,oabsorcinsobreunmaterialslido.

Parapoderaspiraraunaeconomafuturaenlaqueelhidrgenosustituyaalos

combustibles fsiles como principal fuente de energa, se deben realizar grandes

avancesen losmtodosdealmacenamiento.Acontinuacinsedetallan losdiferentes

mtodosusadosenlaactualidad,comentndosesuscaractersticasmsimportantesas

como datos de rendimientos en funcin del contenido energtico del hidrgeno

almacenado,tomadostodosellosde[9]).

[9]:BeyondOilandGas:TheMethanolEconomy,G.Olah,A.Goeppert,G.SuryaPrakash[2006].


Memoria

19

2.2.3.1.Hidrgenolquido.

La licuefaccin del hidrgeno es un proceso sumamente complejo, debido

principalmente a su bajo punto de ebullicin (253 C). Las grandes cantidades de

energa necesarias para llevar a cabo el proceso de licuefaccin, as como a su

confinamiento, lastran esta alternativa salvo en contadas ocasiones (el carburante

empleado en las misiones espaciales se almacena en forma de hidrgeno lquido,

aprovechando las bajas temperaturas a las que estn expuestos los depsitos en

operacin).

El proceso consiste bsicamente en el enfriamiento por intercambio de calor

directoprimeroconamonacoa40Cyposteriormenteconnitrgenolquidoa196C.

Elenfriamientofinalhastaalcanzar los253Csehaceconayudadehelio,ymediante

unciclodecompresinexpansinenmltiplesetapas.

La licuefaccin requiere entre el 30 y el 40% del contenido energtico del

hidrgeno almacenado. Adems, la evaporacin constante del lquido almacenado

fuerzaaventearpartedelhidrgenoparamantenerlapresinenunrangoaceptable,lo

queseestimaentreun1yun5%deprdidaextradiariasobreelcontenidodeenerga

delhidrgeno.Estohacedelalicuefaccinunmtodoinviableparaelalmacenamiento

eficientedehidrgeno.

2.2.3.2.Hidrgenoapresin.

Elmtododealmacenamientomsextendidoadadehoyson los tanquesde

hidrgenoapresin.Laspresionesalasquesesometendichostanquespuedellegara

alcanzarlos700bar.Elprocesodecompresinaumentaladensidaddelgas,pudindose

almacenarmsenergaenmenorespacio,peroinclusoa700barelhidrgenoposeeun

contenidoenergticoporunidaddevolumen4,6vecesinferioraldelagasolina.

El gasto energtico para llevar a cabo la compresin del hidrgeno es

considerablementemenoralasociadoalalicuefaccin,suponiendotansoloentreel10

y el 15% del contenido energtico del hidrgeno almacenado. Los depsitos usados

sernentodosloscasosesfricosparapoderhacerfrenteatanelevadaspresiones.


Memoria

20

Para los depsitos mviles (como en el caso de automviles diseados para

funcionarconhidrgenocomocombustible),elgranretoesmantenerlaseguridadante

uneventualaccidente,ascomoelproblemaaadidodeintroducirdepsitosesfricos

enelvehculosinqueestoafecteenexcesoalpeso, laaerodinmicaoeltamaofinal

delmismo.

2.2.3.3.Hidrurosmetlicos.

Ciertosslidostienenlacapacidaddealmacenarhidrgenosobresusuperficie,

yaseaporfisisorcinoporenlacequmico.Enconcreto,losmaterialesquemssehan

estudiadohastalafechasonciertosmetalesyaleacionesmetlicasqueformanhidruros

con el hidrgeno. El enlace entre hidrgeno y material puede ser reversible o

irreversible, siendo losprimeros losms interesantespuestoque facilitan lacargay la

descargadelmaterialalmacenadosimplementeapartirdelcontroldelatemperaturay

lapresindelsistema.

Las aleaciones metlicas ms empleadas son las de TitanioHierro, Zirconio

Manganeso y LantanoNquel. Se trata demetales de alto pesomolecular, lo que da

como resultadodepsitosextremadamentepesadosen comparacincon la capacidad

de almacenamiento de hidrgeno que ofrecen. El porcentaje en peso del hidrgeno

dentrodeldepsitodehidrurosernormalmentedeentreel1yel3%,dadoquesolo

unospocostomosdehidrgenosepuedenadheriracadamolculadematerialslido

(generalmentecuatro).Paraelalmacenamientode1kgdehidrgenoporestemtodo,

senecesitaranaproximadamenteunos40kgdealeacin,loquealejaporelmomento

laposibilidaddelempleodedepsitosdehidrurosmetlicosparaalmacenarhidrgeno

envehculos.

Apesardetodo,lainvestigacinenhidrurosmsligerosformadospordistintas

combinacionesdesodio,aluminio,litio,boroymagnesioesprometedora,ysiselograse

disminuirostensiblementeelpesodeldepsitoparaalmacenarunaenergaequivalente,

podratratarsedeunodelosavancesmsimportantesparaimplementarloscochesde

hidrgenoalmercado.


Memoria

21

2.2.4.Elhidrgenocomovectorenergtico.

El hidrgeno no es un recurso energtico, al no encontrarse aislado en la

naturaleza.Paraproducirlosenecesitalaaplicacindeenerga,yaseaporvatrmica,

elctrica o qumica, lo que lo convierte en un vector energtico (al igual que la

electricidad).Losvectoresenergticossecaracterizanporalmacenarlaenergaprimaria

a partir de la cual se han obtenido, pudindose convertir ms tarde en otro tipo de

energa(trmica,elctrica).

Una de las principales ventajas del uso de hidrgeno como futuro vector

energtico es la posibilidad de producirlo en casi cualquier localizacin del mundo,

partiendo de energas renovables y agua mediante el proceso de electrlisis. Esto

permitiramejorarelautoabastecimientoenergticodepasessinaccesoacombustibles

fsiles,llevandoasociadosotrosbeneficiostantomedioambientalescomoeconmicos.

Para conseguir introducir el hidrgeno como vector energtico, se deben

subsanar ciertas deficiencias en las caractersticas del mismo. Entre ellas, las ms

importantes se relacionancon subajadensidadenergticaporunidaddevolumen, lo

querequieredetcnicasprecisasparasualmacenamientoydistribucin.LaGrfica2.6

muestra la densidad energtica por unidad de volumen de diversos combustibles, as

comoladelhidrgenolquidoyelhidrgenoapresin.

Grfica2.6.Densidadenergticadecombustiblescomunesehidrgeno.(Fuente:[10])

[10]:BeyondOilandGas:TheMethanolEconomy,G.Olah,A.Goeppert,G.SuryaPrakash[2006].

Compressed Hydrogen

In order to store sufficient amounts of energy in a given space, hydrogen com-pression is currently the preferred solution used in most of the hydrogen fuelcell-powered prototype cars. Because the same quantity of hydrogen can be storedin smaller tanks with increasing pressure, containers (tanks) were developed overthe years able to withstand increasingly high pressures. Hydrogen can now beheld under 350 or even 700 atm in tanks made from new lightweight materials,such as carbon-fiber-reinforced composites. However, even under these condi-tions, hydrogen has still a much lower energy content per volume than gasoline(4.6 times less than gasoline at 700 bar H2; Fig. 9.8) and thus requires several-foldmore voluminous tanks. In contrast to liquid fuel tanks which can adopt anyshape and easily be adapted to any vehicle, compressed hydrogen tanks have afixed cylindrical shape necessary to ensure their integrity under high pressure.Vehicle designers and engineers will need to pay great attention on how andwhere to integrate the pressure tanks. Although hydrogen compression is less en-ergy-intensive than liquefaction, depending on the pressure, it still uses theequivalent of 1015% of the energy contained in the hydrogen fuel [96]. Becauseof its small size, as mentioned, hydrogen is able to diffuse through many materi-als, including metals. During prolonged exposure to hydrogen, some metals canalso become brittle. Consequently, because many parts of the fuel system in con-tact with hydrogen will be metallic, it is necessary to prevent material failure

148 Chapter 9 The Hydrogen Economy and its Limitations

Figure 9.8 Volumetric energy content of hydrogen comparedto other fuels.


Memoria

22

Cuantomayorsea ladensidadenergtica,menorvolumenserequerirparael

almacenamientodeunacantidaddeenergaequivalente,porloqueinclusolastcnicas

ms avanzadas de licuefaccin o compresin se encuentran demasiado alejadas de la

eficienciaenelalmacenamientodeloscombustiblesusadosenlaactualidad.

No resulta descabellado pues pensar en la conversin del hidrgeno a una

substanciaconmayordensidadenergtica, llevndoseacabounprocesoconreaccin

qumicaparaincluirdichohidrgenoenhidrocarburosoalcoholes.

Cuantomenorsealarutadesntesisparaalcanzarloshidrocarburosdedestino,

setendrnunosmenorescostesasociadosalasetapasdetratamientonecesarias,porlo

queelmetanolpareceunproductoobjetivodegran inters.Setratadeunamolcula

ligera, conuna rutade sntesis simpleyquenoprecisadecondicionesexcesivamente

costosas de alcanzar. Posee una densidad energtica cuatro veces superior a la del

hidrgenocomprimidoa700bar,ydosvecessuperioraladelhidrgenolquido.Aesto

hay que sumarle los beneficios para el almacenamiento y transporte asociados a la

naturalezalquidadeesteencondicionesnormalesdepresinytemperatura.

Otrasalternativaspasaranporlasntesisdehidrocarburosoalcoholesdemayor

pesomolecular,talescomoeletanoloinclusogasolinassintticas,peroserequierede

un proceso ms complejo que podra condicionar su viabilidad econmica y sus

posibilidadesdeimplantacinendeterminadaszonasgeogrficas.

Portanto,sepuedeconcluirqueafaltadenuevosavancesenlastecnologasde

almacenamientoyconcentracindelacapacidadenergticadelhidrgeno,elfuturode

este como vector energtico pasa por su conversin en especies con mejores

caractersticas,talescomoelmetanoloeletanol.


Memoria

23

2.3.Dixidodecarbono.


El dixido de carbono es una especie gaseosa resultado de procesos de

combustinascomodeactividadesbiolgicas,encontrndoseen laatmsferaenuna

proporcindel0,039%envolumen.

DescubiertoporelqumicoJanBaptistvanHelmontenelsigloXVII,eldixidode

carbono es un gas incoloro, y a concentraciones bajas, inodoro. La molcula est

compuestapor un tomode carbono y dos tomosdeoxgeno, unidospor uneje de

simetraqueconfierenalasubstanciasucondicinapolar.Lascaractersticasbsicasdel

mismoseresumenenlaTabla2.5:

Tabla2.5.Propiedadesfsicasdeldixidodecarbono,CO2.(Fuente:[11])


Longituddeenlace(pm) 116,3





Puntodeebullicinnormal(K,a5,2bar) 216,6

Densidaddellquido(kg/m3,c.n.) 763


Calordevaporizacin(J/mol,194,7K) 25.130

Setratadeunamolculamuypocoreactiva,porloquepuedepermanecerenla

atmsfera durante largos periodos de tiempo. A pesar de no ser txico a

concentraciones razonables, se trata de un gas contaminante por sus implicaciones

medioambientales, contribuyendo al calentamiento global del planeta junto a otros

gasesdeefectoinvernadero.

[11]:CarbonDioxideUtilizationforGlobalSustainability,S.Park,J.Chang,K.Lee[2004].


Memoria

24


Como se ha comentado anteriormente, el dixido de carbono se forma por

combustin de hidrocarburos y otros combustibles, as como por procesos biolgicos

talescomolarespiracinhumana.

Suele tratarsedeunproductonodeseadoen industriascomo lapetrolfera, la

degeneracindeenerga,ascomoentodosaquellosprocesosenlosqueintervengala

combustin de algn compuesto. La mayora del dixido de carbono destinado a la

comercializacin(esusadocomoreactivoenelsectoralimentario,comocontroladordel

pH de efluentes o en inertizacin mdica, por ejemplo) es recuperado como un

producto secundario de otros procesos, necesitndose llevar a cabo mecanismos de

capturaolimpiezadecorrientesgaseosasparaalcanzargradosdepurezaimportantes.

2.3.2.1.Extraccindepozosdegasnatural.

Lospozosdegasnaturalgeneralmentecontienengrandescantidadesdedixido

de carbono, el cual puede ser extrado de los mismos y purificado para eliminar las

trazas demercaptanos y sulfuro de hidrgeno presentes, as como otros compuestos

tales como el etano o el propano, que pueden formar azetropos dando lugar a

complicaciones.

2.3.2.2.Recuperacindevaporesdefermentacindeglucosa.

Otroprocesodeobtencindedixidodecarbono,enestecasoprcticamente

libredeimpurezas,es larecuperacindelosvaporesgeneradosenlafermentacinde

glucosaparalaobtencindeetanol.Estoscontendrnpequeastrazasdecompuestos

que originan olor, por lo que se debern filtrar dichas substancias para poder ser

comercializado.Lafrmulaporlaqueserigeelprocesoeslaquesigue:

!!"! 2!! + 2! [2.10]


Memoria

25

Seintroduceglucosaacuosa,producindoseporfermentacindosmolculasde

etanolyotrasdosmolculasdedixidodecarbonogas.

2.3.2.3.Subproductodelasntesisdeamonaco.

Noobstante,lagranmayoradeldixidodecarbonocomercializadoprovienede

lasntesisdelamonaco.Enesteprocesoserequierengrandescantidadesdehidrgeno,

elcualseobtieneusualmenteporlarectificacindelmetanoconvapordeagua.Deeste

modo,seobtendrunmoldedixidodecarbonoporcadacuatromolesdehidrgeno

producidos,deacuerdoconlasiguientefrmula.

! + 2! ! + 4! [2.11]

2.3.2.4.Combustin.

Por ltimo, en los casos en los que no se puede obtener dixido de carbono

como producto secundario, se recurre a la oxidacin de combustibles (combustin),

tales como lamadera,el carbn,oproductosderivadosdelpetrleo. Laoxidacindel

tomodecarbonodarcomoresultadoCO2,sibienlosgasesdesalidasernunamezcla

deesteconxidosdenitrgeno,azufreyotrassubstanciascontenidastantoenelfuel

departida,comoenelaireempleadoparalacombustin.

+ ! ! [2.12]Por tanto,se requerirunprocesodeenfriamientode losgasesdesalida,una

posteriorabsorcindeldixidodecarbonosobreunasubstanciaorgnicao inorgnica

(segn el proceso), y finalmente un tratamiento de rectificado para separar el

absorbente.


Memoria

26

2.3.2.5.Emisionesindustriales.

La produccin mundial de dixido de carbono es notablemente superior al

consumo, debido principalmente a las emisiones producidas en grandes factoras e

instalacionesindustriales.ConstantementesedesechaningentescantidadesdeCO2que

permanecernenlaatmsferadurantelargosperiodosdetiempohastaserabsorbidos

porplantasyrboles(principalesconsumidoresnaturales).Latecnologadecapturade

dixidodecarbonoapartirdeemisionesindustrialessehadesarrolladoampliamenteen

los ltimos aos, siendo el principal reto el almacenamiento de este una vez ha sido

capturado.

2.3.3.Mtodosdecaptura.

Lasindustriasdegeneracinelctrica,cementera,petrolferaydemanufactura

deacerosonlasresponsablesdeentornoal60%delasemisionesdedixidodecarbono

alaatmsfera.En2010,lasemisionesglobalesdeestegascontaminanteseestimaron

en33.000millonesdetoneladas,siguiendounatendenciaascendentesololimitadapor

el descenso de la actividad industrial asociada a los periodos de crisis econmica. En

general, el CO2 contenido en estas emisiones se encuentra diluido por otras especies

(siendolasmsimportantesentreestaselvapordeaguaycontaminantesvarioscomo

losxidosdenitrgeno),siendolaconcentracindeldixidodecarbonocercanaal15%

envolumen.

Para poder aislar el CO2, las emisiones sern tratadas primero mediante

procesosdeseparacindegases,obtenindoseunacorrienteconcentradadeesteque

posteriormente se har pasar por una etapa de acondicionamiento en la que se

prepararparasualmacenamientoeficiente.

En funcin de la estrategia de separacin de gases usada, se tendrn tres

tratamientosdecapturabsicos;precombustin,oxicombustinypostcombustin.


Memoria

27

2.3.3.1.Precombustin.

En la precombustin, se lleva a cabo un tratamiento previo del combustible

mediante el cual se reduce su contenido de carbono considerablemente. Este

tratamientosueleconsistirenetapassucesivasdegasificaciny reformadoconvapor,

convirtiendodichocombustibleengasdesntesispobrecompuestoprincipalmentepor

hidrgeno,monxido de carbono y vapor de agua. A continuacin, se lleva a cabo la

reaccin shift del agua,mediante la cual se oxida elmonxido de carbono a dixido,

generndose hidrgeno nuevamente. La posterior separacin da como resultado una

corrientepurificadadedixidodecarbono,yotracorrientecompuestaprincipalmente

porhidrgeno.

2.3.3.2.Oxicombustin.

Laoxicombustinconsisteenllevaracabolaoxidacindeloscombustiblesen

condicionesptimasparatratardereducirtodosloscompuestosavapordeaguayCO2.

Esto se obtienemediante el uso de oxgeno para la combustin en lugar de aire. Las

condiciones de seguridad marcan la pureza en oxgeno permisible para la operacin,

siendo mayor la eficiencia a medida que aumenta la concentracin de este. De este

modo,sereducenlosrequerimientosenergticosdecalentamientodeespeciesinertes

(como el N2, que supone el 79% del volumen total del airemedio) y la formacin de

xidosdeotrasespecies(fundamentalmentexidosdenitrgeno).As,laseparacinde

losgasesdesalidasermuchomssencillayeficiente,obtenindoseefectividadesde

capturasuperiores.

2.3.3.3.Postcombustin.

Porltimo,eltratamientopostcombustintratalamezcladegasesdesalidade

chimeneamediantemembranas y equipos de adsorcin fsica y qumica, separndose

losdiferentescompuestosenfuncindeltamaodemolculaodesucapacidaddeser

adsorbidosobreunasuperficiedeundeterminadomaterial.Enelcasodelosequiposde

adsorcin, ser necesario el aporte de energa para la recuperacin del dixido de

carbonoadsorbido, ya seapor calora travsdevapordeaguaomedianteuncontrol

adecuadodelapresindelsistema.


Memoria

28

2.3.4.Almacenamiento

Como se ha comentado anteriormente, el principal dilema en la captura de

dixidodecarbonoesquhacerconunproductocarentedeaparentevalor(msallde

aplicacionesminoritariasquesuponenunmnimoporcentajedelaproduccinglobalde

CO2). El almacenamiento delmismo en condiciones normales plantea la problemtica

delaltovolumenocupadoporsubstanciasgaseosas.

2.3.4.1.CO2lquido.

Usualmente se recurre a la licuefaccin del gas, o incluso a su solidificacin,

operacionesmuchomssencillasqueenelcasodelhidrgenotratadoanteriormente.

Enestadolquido,seacostumbraaalmacenarenrecipientesdeaceroencondicionesde

temperatura ambiental y alta presin. Para alcanzar el estado slido se requiere

disminuirlatemperaturapordebajodelpuntotriple,manteniendounascondicionesde

presindeterminadas, yalmacenndoseencontenedoresdecapacidadvariable. Esto

aumentaladensidaddelasubstancianotablemente,permitiendoelalmacenamientode

considerablescantidadesdegascapturado.

2.3.4.2.Capturaagranescala.

El ingente volumen de dixido de carbono que se produce anualmente hace

inviable su almacenamiento en depsitos habituales. Para hacer frente a este

contratiempo, se ha propuesto el almacenamiento masivo de CO2 en formaciones

geogrficasespecialesoaladilucindelmismoenlosocanos.

El almacenamiento en formaciones geogrficas consiste en inyectar el dixido

de carbono capturado en el interior de la corteza terrestre, aprovechando diversos

accidentes geogrficos queofrecen volmenesde almacenamiento importantes. Estas

cavidades naturales se dan principalmente en formaciones salinas subterrneas o en

pozosdepetrleo y gas agotados. Para su inyeccin se recurre a lamisma tecnologa

disponibleen lasexplotacionespetrolferas, tantoenmateriadeperforacin comode

sondajedepozos.


Memoria

29

Las altas presiones a las que se somete el dixido de carbono almacenadode

este modo permiten mantenerlo en estado lquido, aunque se precisa de un sellado

correcto para evitar su escape a la atmsfera. Esta tecnologa de almacenamiento

supone una alternativa interesante en reas donde proliferan este tipo de cavidades,

pero puede no estar disponible en todas las localizaciones donde se precise capturar

dixidodecarbono.

La otra gran alternativa consiste en almacenar el CO2 en los ocanos,

aprovechandosusolubilidadenagua.Estemtodoconsistebsicamenteenintroducirla

corrientededixidode carbonoa granprofundidad,de formaqueen sumovimiento

ascendente hacia la superficie este quede disuelto en el agua ocenica. El impacto

ambiental de esta alternativa est todava por determinar, ya que se desconoce el

efectoquetendrasobrelaconcentracindedixidodecarbonoenelaguamarinasise

empleaseestemtododealmacenamientoagranescala,yelimpactodeestasobrelos

seresvivos.

Los costesdel almacenamientodedixidode carbonoa granescalamediante

estos dos mtodos fueron estudiados por Y. Kaya, resumindose los resultados

aproximadosenlaTabla2.6.Elpreciodadoseobtuvoapartirdeunpreciomediodela

electricidadfijadoen3,7cntimosdeeuroporkilovatiohora.

Tabla2.6.CostedelalmacenamientodeCO2en/tonCO2.(Fuente:[12])

Almacenamiento Pretratamiento Transporte Presurizacin Total

Geolgico 12 2 14

Ocenico 14 3 5 22

[12]:TheRoleofCO2FixationintheStrategyforMitigatingGlobalWarming,Y.Kaya[2004].


Memoria

30

Si bien se trata de precios razonables a primera vista, la aplicacin de la

tecnologa ms barata (almacenamiento geolgico) para retener el grueso de las

emisiones industriales supondrauncoste cercanoa los500billonesdeeurosanuales

(4,621011 /ao, para las emisiones anuales estimadas en 2010). Estas grandes cifras

son meramente un indicativo, pues debera tenerse en cuenta la disponibilidad de

suficiente volumen de almacenamiento en la zona para cada una de las instalaciones

productorasdedixidodecarbono,queenmuchoscasosserinexistente.

Desdeluegoelobjetivo,almenosacortoplazo,nodebeserelalmacenamiento

de la totalidad de las emisiones de dixido de carbono globales. Este esms bien la

disminucinprogresivadelasemisioneshastasituarlasenunumbralaceptable,paralo

quecualquiertecnologadebeserconsiderada.

Ademsdeestosmtodosdealmacenamientoagranescala,lacontribucinde

nuevas tecnologas ms refinadas puede ser clave para atajar el aumento de las

emisiones,entrelasqueseencuentralaalternativadescritaenesteproyecto.

2.3.4.3.Almacenamientoenformadeotroscompuestos.

Se ha sugerido recientemente la posibilidad de usar el dixido de carbono

procedente de emisiones industriales para la sntesis de hidrocarburos y alcoholes, lo

quealmenosenteorapodraahorrarel50%delasemisionesglobales,suponindose

que el hidrocarburo as sintetizado sera tarde o temprano quemado liberando

nuevamentealaatmsferaeldixidodecarbonopreviamentecapturado.

ElprocesoconsisteenempleareltomodecarbonodelamolculadeCO2para,

en combinacin con hidrgeno, dar lugar a combustibles a base de tomos de

hidrgeno, oxgeno y carbono. Existen varias rutas para llevar a cabo dicha sntesis,

entre las que destacan el proceso FischerTropsch (obtenindose combustibles

sintticossimilaresalagasolina),yelprocesodesntesisdemetanol.

Este ltimo se explicar pormenorizadamente en las siguientes secciones del

proyecto, evalundose su posible viabilidad como alternativa para el almacenamiento

dedixidodecarbonocapturado.


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2.4.Oxgeno.


Eloxgenoeseloctavoelementodelatablaperidica,yelmsabundanteenla

cortezaterrestre,formandopartedemsde1.400mineralesconocidos.Eneluniverso,

es el tercer elementoms abundante, solo por detrs del hidrgeno y del helio. Fue

descubiertoen1772porelfarmacuticosuecoCarlWilhelmScheele,quienlosintetiza

partirdelcalentamientodexidodemercurioynitratosvarios.

En condiciones normales de presin y temperatura forma una molcula

diatmica por enlace doble de dos tomosdeoxgeno, encontrndosepresente en la

atmsfera en un porcentaje volumtrico del 20,95%. Se trata de una molcula

altamente reactiva, por lo que se debemantener alejada demateriales combustibles,

conlosquereaccionaviolentamente.

Laspropiedadesfsicasmssignificativasdeloxgenomolecularsemuestranen

laTabla2.7.

Tabla2.7.Propiedadesfsicasdeloxgenomolecular,O2.(Fuente:[13])


Longituddeenlace(pm) 121





Puntodeebullicinnormal(K) 90,2

Densidaddellquido(kg/m3) 1.141


Calordevaporizacin(J/mol,a90,2K) 6.815,4

[13]:Enciclopedia,AirLiquid.


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Segndatosdelao2000,seproducenanualmente100millonesdetoneladas

de oxgeno a escala industrial, siendo la prctica totalidad extrada del aire por

destilacinfraccionada.

2.4.2.1.Destilacinfraccionada.

Entre las tcnicas de destilacin fraccionada del aire, la ms extendida es

probablemente ladoblecolumnaLinde (representadaen laFigura2.1).Enella,elaire

seco a alta presin (O2 yN2mayoritariamente), se preenfra por intercambio de calor

conamonacoenebullicinyconlosgasesseparadosalasalidadelacolumna.Deeste

modo sealcanzan temperaturas cercanasa los 120C,que todavano son suficientes

para llevar la corriente a los puntos de ebullicin de las substancias (183C para el

oxgeno,y195Cparaelnitrgeno).

Figura2.1.DoblecolumnaLindeparaladestilacinfraccionadadeO2yN2.(Fuente:[14])

[14]:IntroduccinalaQumicaIndustrial,A.VianOrtuo[1999].


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ParareduciranmslatemperaturadelacorrienteserecurriralefectoJoule

Thomson,elcualenunciaquelaexpansinadiabticadeunasubstanciaacarrearuna

variacinenlatemperaturadelamisma.Elsignodelavariacindetemperaturavendr

dado por las caractersticas del fluido, en concreto por el valor de la temperatura de

inversin. En el caso del aire, la expansin isentlpica (en una vlvula de

estrangulamiento)conllevaunabajadaen la temperaturadel fluidoen lascondiciones

deoperacindelacolumna.

Portanto,seconduceelairepreenfriadoatravsdeunserpentnsituadoenla

parteinferiordelacolumna,lacualcontieneoxgenolquidoal40%yaunatemperatura

de168C.Previamentealaintroduccindelaire,esteseexpansionaisentlpicamente

hastalos5bar,loquecontribuyeadisminuirlatemperatura.Yaenlacolumnainferior,

elnitrgenoseirenriqueciendoamedidaqueasciende,mientrasqueenlascolasdela

columnasetendroxgenoenebullicin.Elnitrgenocondensadoa 179C(graciasal

intercambio de calor con el oxgeno lquido a 183C de la columna superior), y el

oxgenoenebullicinseexpandenatravsdesendasvlvulasdeestrangulamiento,yse

introducen en la columna superior, operada a 1 bar. Es aqu donde se produce la

separacinfinalde loscomponentespurificados,siendoclaveenelprocesoelempleo

dedistintaspresionesdeoperacinenlascolumnas.

2.4.2.2.PressureSwingAdsorption.

En los ltimos aos se est generalizando la produccin de oxgeno insitu en

plantasdondeseconsumeestecomoreactivo.Lascolumnasdedestilacinfraccionada

sonquizsdemasiadograndesycostosasparaproduccionesmoderadasdeoxgeno,por

loqueserecurreamtodosdeadsorcin.

En ellos,materiales porosos tales como las zeolitas actan como adsorbentes

delnitrgenoencondicionesdealtapresin,quedandoretenidassobrelasuperficielas

molculas de este y dejando pasar a las de oxgeno. La limpieza de las placas de

adsorbenteserealizareduciendolapresin,antelocuallaafinidaddelnitrgenoporel

adsorbentedisminuyequedandoliberadassusmolculas.


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La pureza del oxgeno as obtenido puede alcanzar valores de entre el 90 y el

93%, por lo que solo ser adecuado para casos donde esta no tenga una mayor

relevancia.

2.4.2.3.Electrlisis.

La produccin a escala industrial de oxgeno por electrlisis tiene muy poco

impacto, ya que cualquiera de las dos tecnologas comentadas anteriormente resulta

muchomseconmicadada lagrancantidaddeelectricidadnecesariaparasepararel

hidrgenoyeloxgenodelagua.

Aunque no sea rentable plantearse la obtencin de oxgeno a partir de la

electrlisis como producto principal, si debe tenerse en consideracin su

aprovechamientocomosubproductoenelcasodelaproduccindehidrgenoapartir

deelectrlisis(comentadoenelapartado2.2.2.4).Puestoquelapurezadeloxgenoas

producidopuedealcanzarel99,5%envolumen(especificacionesdeloxgenomedicinal),

el valor de este subproducto contribuir enormemente a la viabilidad econmica del

procesodeproduccindehidrgeno.

Enesteproyectosedaestacircunstancia,porloqueseestudiarnlosmtodos

dealmacenamientodeoxgenomsextendidosacontinuacin.

2.4.3.Almacenamientoytransporte.

Al igual que sucede con el hidrgeno, el almacenamiento de una especie

gaseosacomoeloxgenoencondicionesatmosfricasnoresultaviabledebidoasubaja

densidad. Por esto se suele recurrir a la compresin o a la licuefaccin para el

almacenamientodeoxgenoprevioasudistribucin.


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2.4.3.1.Oxgenolquido.

Paramantenereloxgenoenfaselquidaserequierentemperaturasquerondan

los200C,almacenndoseentanquesdegrandesproporcionesapresinatmosfrica.

Se requierengrandesespesoresdeaislamientoparamantener la temperatura interior

prcticamente invariable, siendo inevitable la formacin de oxgeno gas que

incrementarlapresininterioramedidaqueel lquidoseevapora.Laformadeestos

depsitosacostumbraasercilndrica.

2.4.3.2.Oxgenoapresin.

Otra alternativapara el almacenamientodeoxgenoen grandes cantidades es

mediante depsitos a alta presin y temperatura atmosfrica. La presin tpica de

almacenamientoestfijadaentrelos150ylos250bar,yaqueeldiseodedepsitosa

presionessuperioressuponeespesoresdeparedinasumibles.Enestecaso,serecurrea

tanquesdealmacenamientoesfricosdegranespesordeparedparahacer frentea la

accindelapresin,yresistentesalacorrosin.

2.4.3.3.Botellaspresurizadas.

Para consumos a menor escala (hasta 5.000 m3 mensuales), se recurre al

almacenamientoencilindrospresurizadosdemltiplescapacidades.Estosdepsitosde

menor tamao vienen equipados con medidas de seguridad para evitar posibles

escapes,ysuelenseralquiladosporlaempresasuministradora.

Los tres mtodos de almacenamiento citados hasta ahora deben descargarse

peridicamenteparasatisfacerlademandadeproductodeconsumidoresalejadosdela

planta. Para ello, el procedimiento ms comn de transporte son los camiones

presurizados (para depsitos de gran capacidad), y los camiones de carga para las

botellas presurizadas. El transporte se realiza pues por carretera, cumpliendo los

requisitoslegalesparadichaactividad.


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2.4.3.4.Gaseoductos.

Existeotromtododetransportedeoxgenoquenorequierealmacenamiento

previo,ysonlosgaseoductos.Estasconduccionesdeoxgenoapresinyaseutilizana

gran escala para abastecer a industrias que se encuentran a gran distancia del

productor. La Figura 2.2 muestra los principales gaseoductos de oxgeno, hidrgeno,

monxidodecarbonoynitrgenoenEuropa,loscualesunenFrancia,BlgicayHolanda.

Se observa como la canalizacin de oxgeno se extiende por toda la regin,

siendo la quems kilmetros de longitud posee. Si bien resulta una gran comodidad

disponer de grandes infraestructuras de abastecimiento de oxgeno, son tambin

habituales las interconexiones entre fbricas situadas a poca distancia, asegurando el

suministro continuo de materia prima al mismo tiempo que se reducen los costes

asociadosalalmacenamientodeloxgenoyposteriordistribucindiscontinuamediante

camiones.

Figura2.2.PrincipalesconduccionesdegasesindustrialesagranescalaenEuropa.(Fuente:[15])

[15]:www.airliquide.com[Datosde2001].


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En el presente proyecto, el oxgeno obtenido como subproducto ser

suministrado en lnea a la planta trmica de As Pontes, as como a la planta de

tratamiento de aguas residuales de la localidad mediante un pequeo gaseoducto.

Adems,seaadeundepsitodeoxgenoapresinconcapacidaddealmacenamiento

de

planta de obtención de metanol a partir de hidrógeno renovable y dióxido de carbono capturado -...

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