Un proyecto japonés demuestra un camino de neutralidad de carbono para la energía del carbón

El complejo proyecto de demostración de tres fases de Osaki CoolGen Corp. en la prefectura de Hiroshima busca lograr una generación de energía a carbón altamente eficiente con emisiones cercanas a cero mediante la integración de tecnología de carbón lista para la captura de carbono con una celda de combustible.

Cuando el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) amplificó las alarmas sobre el calentamiento global a principios de la década de 1990, los ejecutivos de J-POWER tomaron nota. Desde que se estableció en 1952 como una entidad financiada por el gobierno bajo la Ley de Promoción del Desarrollo de Energía Eléctrica de Japón, J-POWER (que todavía está registrada formalmente con el nombre de "Electric Power Development Co.") se ha convertido en uno de los generadores de energía más grandes de Japón. Pero si bien había acumulado una cartera sustancial de generación a carbón, la mayor parte fue alimentada por carbón importado. Y aunque predijo que la energía del carbón (junto con la nuclear) seguiría desempeñando un papel fundamental en la combinación energética de Japón en el siglo XXI, desconfiaba de que las crecientes preocupaciones ambientales y la volatilidad de las futuras importaciones de carbón pudieran representar obstáculos significativos para sus activos de carbón. La compañía finalmente dedujo que encontrar una manera de mejorar de manera rentable y eficiente su utilización del carbón en las próximas décadas tendría que ser una prioridad máxima.

J-POWER entró en acción. En 1995, lanzó un proyecto nacional en colaboración con la Organización de Desarrollo de Tecnología Industrial de Nuevas Energías (NEDO) del gobierno japonés para desarrollar el proyecto de Aplicación de Energía para Gas, Líquido y Electricidad (EAGLE). El objetivo clave del proyecto era desarrollar un gasificador de carbón de flujo arrastrado por oxígeno construido en Japón que pudiera usarse para múltiples aplicaciones, incluida la generación de energía y la producción de combustibles sintéticos, productos químicos e hidrógeno. El concepto EAGLE, sin embargo, fue más allá de la simple integración del gasificador con turbinas de gas y vapor en una configuración convencional de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC). Imaginó agregar una celda de combustible al sistema IGCC para aumentar su eficiencia más allá del 50 % y, al mismo tiempo, reducir sus emisiones contaminantes, convirtiéndolo efectivamente en uno de los primeros sistemas de ciclo combinado de celdas de combustible de gasificación integrada (IGFC) dedicados del mundo.

Después de realizar un estudio de viabilidad para el sistema IGFC, J-POWER y la agencia de investigación del gobierno completaron en 2001 una planta piloto de 150 toneladas por día en el Instituto de Investigación Wakamatsu de J-POWER en la ciudad de Kitakyushu. A partir de 2002, el proyecto piloto investigó la puesta a punto del sistema de gasificación, seguido de pruebas de rendimiento general de la planta y luego pruebas con diferentes materias primas y, más tarde, separación y recuperación de dióxido de carbono (CO2). Cuando el piloto se mostró prometedor, J-POWER en 2009 se asoció con Chugoku Electric Power Co. para establecer una nueva empresa conjunta, Osaki CoolGen Corp.

La intención principal de Osaki CoolGen en ese momento era ampliar la tecnología EAGLE en una prueba de demostración de 166 MW del sistema IGFC en la central eléctrica Osaki de 250 MW de Chugoku, retirada en 2011, en la isla de Osakikamijima, prefectura de Hiroshima. Según Chugoku Electric, el alcance de demostración del proyecto se ha ampliado desde entonces para abordar los desafíos emergentes que enfrenta la energía de carbón moderna, incluida la comprensión de la flexibilidad duradera y los atributos bajos en carbono. En la actualidad, el objetivo principal del proyecto Osaki CoolGen es "lograr una generación de energía a base de carbón sin emisiones mediante la combinación de IGFC, la última generación de energía a base de carbón de alta eficiencia, con la captura de CO2", dijo Chugoku Electric.

Desde que el proyecto Osaki CoolGen se inició oficialmente en 2012, ha concluido con éxito dos de los tres pasos clave y prevé completar el último paso este año. En el Paso 1, que obtuvo fondos del Ministerio de Economía, Comercio e Industria (METI) de Japón, los socios del proyecto iniciaron la construcción de una planta de demostración IGCC impulsada con oxígeno de 166 MW en marzo de 2013 y la completaron en marzo de 2017. La tecnología IGCC soplada gasifica el carbón en el gasificador patentado de J-POWER utilizando oxígeno de alta pureza. Luego genera energía usando un ciclo combinado que combina una turbina de gas que quema gas de síntesis (clase 1300C) y una turbina de vapor que usa el calor de escape de la turbina de gas y el gasificador.

"En el primer paso, verificamos el rendimiento básico, la operabilidad de la planta, la confiabilidad y la viabilidad económica de un sistema de energía a carbón que se basa en la tecnología IGCC de oxígeno soplado", dijo NEDO en un comunicado. "Logramos una eficiencia térmica neta del 40,8 % [basado en el poder calorífico superior (HHV)], el nivel más alto de rendimiento en el mundo para una planta de carbón de clase 170 000 kW, y obtuvimos una perspectiva de lograr una eficiencia térmica neta de aproximadamente 46% (HHV) en una planta de energía comercial que utiliza una turbina de gas de nivel 1,500C (generación de escala de 500,000 kW con una capacidad de 2,000 a 3,000 toneladas de carbón por día)", agregó la agencia. "En comparación con la energía de carbón pulverizado ultrasupercrítico (USC) ampliamente utilizada hoy en día, creemos que esta tecnología puede reducir la cantidad de emisiones de CO2 en aproximadamente un 15%".

Según Nobuhiro Misawa, director ejecutivo de ingeniería de Osaki CoolGen Corp., la configuración de la instalación de demostración de IGCC es "casi idéntica" a una planta de energía comercial de IGCC, y cumple las mismas funciones y prioridades críticas, incluida la seguridad. "La seguridad es un factor importante porque la composición del gas y el valor del proceso son significativamente diferentes de una planta [de carbón pulverizado] convencional", señaló durante el Foro Japón-Asia de Captura, Utilización y Almacenamiento de Carbono (CCUS) 2021, celebrado en octubre de ese año. .

Pero, de manera fundamental, los resultados de las pruebas confirmaron una tasa de cambio de carga máxima del 16% por minuto, "una tasa de cambio muy alta-baja, que era igual a la generación de gas de ciclo combinado de gas natural", señaló Misawa. Las pruebas de IGCC también confirmaron un funcionamiento estable con una potencia de salida neta de 0 MW. "La energía eléctrica se genera mediante un ciclo combinado tanto en los sistemas IGCC como en los sistemas de ciclo combinado de gas natural y, por lo tanto, el resultado demuestra que la gasificación con oxígeno soplado tiene un rendimiento de cambio de alta carga en términos de producción de gas de síntesis", explicó Misawa. "Utilizando estas características flexibles, las plantas comerciales de IGCC podrán adaptarse a varias fluctuaciones de energía causadas por energía renovable, que se instalarán más en todo Japón hacia la futura neutralidad de carbono".

Durante el Paso 2, que tuvo lugar entre 2016 y 2020, Osaki CoolGen agregó una unidad de separación y captura de CO2 al IGCC inflado con oxígeno. "Como hay una alta concentración de monóxido de carbono (CO) en el gas de síntesis, se puede separar y capturar de manera eficiente como CO2, lo que hace que esta tecnología de generación sea óptima para CCUS", explicó NEDO.

Las instalaciones de captura de carbono consisten en unidades de captura de carbono y una unidad piloto de catalizador de cambio ácido. "Debido a que la presión del gas de síntesis para la captura de CO2 es alta (tiene alrededor de 3 megapascales), seleccionamos un método de absorción física [que usa el solvente Selexol Max de Dow] adecuado para gas CO2 de alta presión parcial", dijo Misawa. Osaki CoolGen realizó pruebas de captura de CO2 desde diciembre de 2019 hasta 2021, cuando se detuvieron para permitir la instalación del equipo de pila de combustible. Reanudadas a principios de este año, las pruebas de captura involucran un 17% de estela de gas de síntesis con una capacidad de alrededor de 400 toneladas de CO2 por día. Las pruebas evaluarán los costos de captura utilizando datos de gastos operativos y de capital. Hasta ahora, el desempeño de la captura de carbono ha "superado los objetivos", dijo Misawa, incluso para demostrar una tasa de recuperación de CO2 del 90% o más.

1. El flujo de captura de carbono de Osaki CoolGen junto con sus sistemas de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC) y celda de combustible de gasificación integrada (IGFC). Cortesía: Osaki CoolGen

En el segundo paso, el gas de síntesis, después de la eliminación del ácido, se envía al reactor de cambio dulce, donde el CO se convierte en CO2 (Figura 1). A continuación, el CO2 se captura en el absorbedor y se recupera mediante descompresión en bidones de descarga. "El gas de síntesis, que tiene una alta concentración de hidrógeno, se devuelve a una turbina de gas como combustible", dijo Misawa. "En esta instalación, el 17 % del gas de síntesis total se envía a la unidad de captura de CO2 para capturar el 15 % del volumen total de CO2 emitido por la planta IGCC", señaló.

Además, la empresa realizó pruebas de durabilidad a largo plazo del catalizador de cambio ácido. “Este catalizador es de nuevo desarrollo y funciona a una temperatura más baja que un catalizador estándar. La cantidad de vapor en el reactor de desplazamiento se puede reducir drásticamente, lo que evita la pérdida de energía en el proceso de captura de CO2”, señaló.

Como parte del tercer paso, Osaki CoolGen completó la integración de una celda de combustible de óxido sólido (SOFC) de 1,2 MW y comenzó las pruebas de verificación en abril de 2022. Planea continuar probando el sistema hasta fin de año. En particular, el paso 3 también implica la construcción de una instalación de licuefacción de CO2.

"A la salida del gasificador, el gas de síntesis comprende un 50 % de CO y un 20 % de hidrógeno. A la entrada del reactor de desplazamiento, se inyecta vapor y el CO se convierte en CO2 e hidrógeno en el reactor. A la salida del reactor reactor, la composición del gas es 40% CO2 y 55% hidrógeno", explicó Misawa.

“El absorbedor de CO 2 captura el CO2, por lo tanto, se obtiene CO2 de alta pureza. Por otro lado, el balance del gas contiene alrededor del 85% de hidrógeno. Si bien este hidrógeno se utilizó como combustible para la turbina de gas en el Paso 2, en la prueba del Paso 3, el hidrógeno se enviará a la celda de combustible para producir energía", dijo.

Osaki CoolGen planea capturar una parte del CO2 en la unidad de licuefacción para producir CO2 de pureza de grado alimenticio de unas cinco toneladas por día, dijo. Luego se transportará en camión a un invernadero comercial de tomates en el cercano Hibikinada Greenfarm.

Mientras tanto, el proyecto ha llevado a NEDO a establecer un centro de investigación y desarrollo de "reciclaje" de carbono en la cercana ciudad de Osakikamijima. El centro explorará, entre otras áreas, el desarrollo de hormigón ecológico (desarrollado por Chugoku Electric), la tecnología de síntesis selectiva de productos químicos, un bioproceso de gas a lípidos y biocombustible para aviones a partir de microalgas.

—Sonal Patel es editor asociado sénior de POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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