Gasificación subterránea de carbón: ¿Opción para la descarbonización y fuente de hidrógeno?

En general, UCG tiene ventajas estratégicas y enormes riesgos ambientales y geológicos. India tendría que sopesarlo antes de proceder

Este artículo es parte de la serie Comprehensive Energy Monitor: India and the World

El primer proyecto piloto de gasificación subterránea de carbón (UCG) en India fue llevado a cabo en el bloque de la mina Vastan, Surat, Gujarat por ONGC (Oil & Natural Gas Corporation Limited) en colaboración con Gujarat Industries Power Company Ltd (GIPCL) en 2010. ONGC tomó el sitio del bloque de la mina Vastan perteneciente a GIPCL en Nani naroli, distrito de Surat, Gujarat como un proyecto piloto de I + D para establecer la tecnología UCG en colaboración con el Centro Nacional de Investigación Minera-Instituto Skochinsky de Minería (NMRC-SIM), Rusia. El Acuerdo de Colaboración (AOC) para cooperar en los servicios, operaciones, desarrollo e investigación relacionados con UCG en India con ONGC se extendió hasta marzo de 2020. ONGC y Neyveli Lignite Corporation Limited (NLC) identificaron conjuntamente varios sitios. para estudiar su adecuación a UCG. Estos son Tadkeshwar en Gujarat y Hodu-Sindhari & East Kurla en Rajasthan. Un sitio más fue identificado conjuntamente por ONGC y GMDC (Gujarat Mineral Development Corporation Limited) en Surkha en el distrito de Bhavnagar, Gujarat. Los datos de todos los campos han sido analizados para evaluar la idoneidad de estos sitios para UCG. Todos los sitios se han encontrado adecuados para la exploración de UCG. El progreso de los proyectos de UCG ha sido lento, pero ¿podría convertirse en una opción para descarbonizar el carbón en India?

La gasificación subterránea de carbón (UCG) es la combustión in situ parcial de la veta de carbón para producir gas utilizable a través de las mismas reacciones químicas que ocurren en los gasificadores de superficie. Esto se logra mediante la inyección de vapor y aire (u oxígeno) en la veta de carbón que luego se enciende para iniciar la gasificación. Por lo general, se requieren temperaturas superiores a 1000°C para que se lleve a cabo la gasificación. Los productos y subproductos de la gasificación varían según la naturaleza del carbón, la temperatura, la presión y también si se utiliza aire u oxígeno. Los gases de producto (gas sintético o gas de síntesis) consisten principalmente en monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2), metano (CH4) y, en menor medida, sulfuro de hidrógeno (H2S) y algunos productos de pirólisis de mayor peso molecular. . Independientemente del uso, el gas de síntesis debe limpiarse utilizando tecnologías disponibles comercialmente para eliminar impurezas como partículas, compuestos de alquitrán y azufre como H2S y sulfuro de carbonilo (COS) para que sea utilizable.

Electricidad

El gas de síntesis caliente de UCG se puede utilizar para producir vapor para impulsar una turbina de vapor que genera electricidad o se puede quemar para producir vapor para impulsar una turbina eléctrica. El gas de síntesis también se puede alimentar directamente a una celda de combustible que puede tolerar el CO para generar electricidad de bajo voltaje que se puede aumentar y alimentar a la red.

materia prima química

El gas de síntesis se puede utilizar como materia prima química (después de que su proporción de H2 a CO se equilibre adecuadamente) para producir metanol, hidrógeno, amoníaco y otros productos químicos mediante el proceso Fischer-Tropsch. El Instituto Central de Investigación de Minería y Combustibles (CIMFR), India, ha identificado el metanol y el gas licuado de petróleo (GLP) como productos potenciales del gas producido a partir de las operaciones de UCG. CIMFR produce 5 litros de gas de síntesis por día a partir de su proyecto piloto UCG y convierte 1,5 toneladas de carbón en metanol en su rectificador de metanol.

Producción de Hidrógeno

Un caso más sólido para UCG radica en el hecho de que el carbón es la fuente obvia de hidrógeno, que es potencialmente un importante portador de energía de carbono cercano a cero del futuro. UCG como generador de hidrógeno acoplado con una celda de combustible de óxido sólido (SOFC) para generar energía eléctrica directamente ha sido estudiado por expertos indios. La integración con SOFC brinda dos ventajas específicas: (1) El escape del ánodo de SOFC que tiene una temperatura de operación alta se puede usar para producir el vapor requerido para la operación de UCG, así como para reformar el gas de síntesis para SOFC (2) Lata de SOFC también sirven como un absorbente selectivo de oxígeno del aire para un sistema eficiente de generación de energía eléctrica neutral en carbono a partir de carbón subterráneo. El análisis termodinámico del sistema integrado muestra una mejora considerable en la eficiencia térmica neta con respecto a una planta de ciclo combinado convencional.

Solo una pequeña fracción del carbón indio se extrae bajo tierra y la mayor parte del resto se extrae mediante minería a cielo abierto. Grandes reservas de carbón están disponibles a profundidades superiores a los 300 metros que son menos adecuadas para las tecnologías mineras convencionales. Esto restringe los recursos de carbón disponibles a pesar de las grandes reservas en papel. El carbón indio se consideraba 'no explotable' porque estaba bajo tierras forestales vírgenes, demasiado profundo, de baja ley o en vetas estrechas que se pueden gasificar, lo que aumenta enormemente la disponibilidad de recursos de carbón. India también tiene grandes depósitos de lignito que es difícil de explotar económicamente debido a su bajo contenido energético. Según estimaciones realizadas en 2006, alrededor del 66 por ciento del carbón indio de bajo grado a una profundidad intermedia podría gasificarse bajo tierra para producir gas natural sintético, metanol, gasolina, diesel, hidrógeno y también utilizarse como materia prima para la producción de fertilizantes.

El alto contenido de cenizas en el carbón indio presenta un desafío operativo en la utilización del carbón extraído en el país en equipos de superficie como gasificadores y calderas. UCG tiene un potencial único en la recuperación del poder calorífico del carbón con alto contenido de cenizas. No se transportaría carbón en la superficie, lo que también reduciría el costo y la huella de contaminación local asociada con el transporte de carbón por ferrocarril (o camiones); también reduciría la contaminación asociada con el almacenamiento de carbón. A medida que se elimina la minería de carbón convencional con UCG, se reducen los costos operativos y los daños a la superficie y aumenta la seguridad de la mina a medida que se eliminan accidentes como el colapso de la mina y la asfixia. No se necesitan sistemas de gasificación de superficie para UCG y, por lo tanto, los costos de capital serían más bajos. Más importante aún, la UCG con la separación y reinyección de CO2 subterráneo puede desvincular la creciente demanda de electricidad del aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). El creciente interés en el hidrógeno como vector de energía sin carbono también justifica una revisión de la opción UCG.

La captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) se han convertido en un componente tecnológico clave para reducir los gases de efecto invernadero (GEI), principalmente CO2 a través del secuestro geológico, como se observa en el informe del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC). El almacenamiento de carbono geológico (GCS) es similar al CCUS. El almacenamiento de CO2 en el espacio vacío creado por el proceso UCG en la zona del reactor tiene varias ventajas: (1) UCG crea una cavidad bastante grande (del orden de 5 a 8 metros (m) de diámetro) entre los pozos. Una sola quema con pozos separados 300 m crearía un vacío de 6000-15000 metros cúbicos que puede almacenar alrededor de 8000 toneladas de CO2 (2) Los pozos de producción e inyección están disponibles para la entrega de CO2 y el taponamiento y abandono adecuados. Esto reducirá sustancialmente el costo de CCUS ya que los pozos representan del 40 al 60 por ciento de los costos de CCUS (3) La respuesta física del carbón al CO2 puede mejorar el secuestro. Cuando se usa oxígeno para la gasificación, los reactores de cambio de agua-gas (que hacen reaccionar CO con vapor para producir CO2 y H2) convierten casi todo el CO en CO2, del cual el CO2 puede eliminarse fácilmente mediante una serie de tecnologías disponibles. El CO2 se puede almacenar en acuíferos salinos profundos, yacimientos de gas agotados, yacimientos petrolíferos activos y vetas de carbón agotadas e inexplotables, todas las cuales se encuentran con frecuencia cerca de las vetas de carbón elegidas para UCG, lo que hace que el paquete UCG-CCUS sea una opción atractiva para la gestión del carbono. Como el carbón se hincha y se plastifica en presencia de CO2, las fracturas y la porosidad pueden cerrarse rápidamente, lo que inmovilizará y atenuará las posibles fugas de CO2.

El vacío creado por UCG puede causar una deformación significativa tanto en el carbón restante como en las rocas circundantes. El calentamiento, el enfriamiento, el flujo de agua y el colapso potencial del techo y la pared pueden comprometer seriamente la integridad de la cavidad. Estos son difíciles de predecir. En general, los lados de la cavidad se mueven hacia adentro, el piso hacia arriba y el techo hacia abajo (hundimiento). La magnitud y forma del hundimiento es una función de muchos factores que incluyen la profundidad de la veta (espesor y sobrecarga), la rigidez efectiva de la roca y el límite elástico. Las predicciones pueden ser inexactas porque muchas rocas exhiben un comportamiento de tensión-deformación no lineal.

Las operaciones de UCG no se pueden controlar en la misma medida que los gasificadores de superficie, lo que presenta el riesgo debido a la alta temperatura y presión en la cavidad. Parte del carbón en UCG puede tener características geológicas o hidrológicas que aumentan los riesgos ambientales a niveles inaceptables. La zona de reacción más grande del UCG a gran escala puede crear una extensa zona de depresión de aguas subterráneas creando un flujo hacia la zona de combustión en lugar de alejarse de ella. Debido a que UCG es un proceso de alta temperatura y alta presión, la producción y el transporte de compuestos orgánicos tóxicos desde la cavidad de combustión serán una consecuencia sin importar qué tipo de carbón se gasifique. Las ubicaciones de UCG más profundas tienen que usar una presión y una temperatura más altas para mantener la zona de quemado, lo que aumenta el riesgo de flujo hacia el agua subterránea regional. El uso del sitio UCG para CCUS puede aumentar la movilidad de muchos contaminantes porque los compuestos orgánicos suelen ser altamente solubles en CO2 y los metales se movilizan en condiciones acuosas ácidas. Manteniendo la dirección del flujo de agua subterránea hacia adentro en lugar de hacia afuera de la cavidad, la movilidad de los contaminantes solubles podría reducirse en gran medida.

La economía de las centrales eléctricas basadas en UCG no está fácilmente disponible ya que no hay centrales eléctricas UCG que operen en el mundo occidental y las estimaciones de costos son difíciles de obtener para las plantas que operan en China y Rusia. En general, una central eléctrica basada en UCG es muy similar a una central eléctrica de Ciclo Combinado de Gasificación Integrada (IGCC) menos el gasificador de superficie. La planta de UCG también necesita un equipo de limpieza de gas mucho más pequeño porque el contenido de alquitrán y cenizas en el gas de síntesis basado en UCG es sustancialmente más bajo que el que se obtiene de un gasificador de superficie. Estos factores dan a las plantas de energía basadas en UCG una ventaja económica significativa sobre las plantas IGCC y las plantas de carbón pulverizado supercrítico (SCPC). Las estimaciones ponen el costo de una planta de energía UCG en aproximadamente la mitad del costo de las plantas SCPC e IGCC y el costo de la electricidad generada usando una planta UCG en aproximadamente una cuarta parte del costo de una planta IGCC o SCPC.

La economía de la UCG tiene grandes incertidumbres que probablemente persistirán. UCG es un proceso de estado intrínsecamente 'inestable' y tanto el caudal como el poder calorífico del gas producto variarán con el tiempo. Cualquier planta en funcionamiento debe tener en cuenta este factor. Muchas variables importantes del proceso, como la tasa de entrada de agua, la distribución de reactivos en la zona de gasificación y la tasa de crecimiento de la cavidad, solo pueden estimarse a partir de mediciones de temperatura y calidad y cantidad del gas producto. Los cambios en la cantidad y calidad del gas producido tendrán un impacto significativo en la economía del proyecto. Por otro lado, el gasto de capital de los proyectos UCG puede ser sustancialmente menor que el de los gasificadores de superficie equivalentes porque no se requiere la compra de un gasificador. Los gastos operativos relacionados con la minería del carbón, el transporte del carbón y la gestión de cenizas también se reducen sustancialmente en UCG. Incluso para proyectos que cuentan con importantes instalaciones de seguridad y control ambiental, las plantas de UCG han mantenido sus ventajas económicas.

En general, UCG tiene ventajas estratégicas, como el uso de un recurso nacional que contribuirá a la seguridad energética, la competitividad de costos sobre tecnologías limpias alternativas y la baja demanda de recursos de tierra escasos en la India. Sin embargo, también conlleva enormes riesgos ambientales y geológicos. Para tomar la decisión correcta para India, se requerirá un análisis cuidadoso de los costos y beneficios de UCG a través de proyectos piloto detallados.

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