Una alternativa a los vertederos

Elcogas, S. A. es una compañía española con accionariado internacional (Figura 1) constituida en 1992 para llevar a cabo la construcción y explotación de la planta de tecnología GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado) de 335 MWeISO situada en Puertollano. Es la única planta de este tipo en Europa y la segunda más grande del mundo.

La GICC de Puertollano está en operación con gas de síntesis desde 1998 y sus resultados operativos reflejan las ventajas de su tecnología de gasificación para la producción de electricidad a partir de combustibles autóctonos (carbón y coque de petróleo), dada su elevada eficiencia bruta de 47,12 %PCI y neta de 42,2 %PCI, su comportamiento medioambiental imbatible (SO2<40 mg/Nm³ y NOx <150 mg/Nm³ al 6% de O₂) y unos costes variables de producción muy competitivos (15-30 €/MWh en la última década). Esta instalación está considerada a nivel europeo y nacional como “planta de demostración de tecnología”, reconociendo así su pertenencia a la primera generación de plantas GICC a escala comercial y por tanto el elevado riesgo tecnológico que implica la utilización de prototipos en sus principales sistemas, el gasificador y la turbina de gas.

Desde su origen, la investigación, desarrollo e innovación se han promovido e impulsado de forma decidida. En 2007 se fijó el “Plan de Inversiones en IDi” cuyo objetivo es desarrollar la tecnología GICC aplicada a la generación de energía sostenible, reduciendo el impacto ambiental con mínimo coste de producción. Sus líneas están basadas fundamentalmente en la reducción de emisiones de CO₂, la producción de H2 y la diversificación de combustibles y productos.

Lo más relevante respecto a la diversificación de combustibles ha sido la demostración técnica de la viabilidad de co-gasificar biomasa. Así, se han co-gasificado 4.988 toneladas de biomasa en 1.648 horas de operación, alimentando hasta un 10% en peso de biomasa (10 t/h) conjuntamente al combustible habitual. Los resultados de estas pruebas han mostrado que la central no se ha visto afectada en su funcionamiento incluyendo su operación, su eficiencia ni sus emisiones que siguen siendo inmejorables.

La central GICC de Puertollano que se muestra en la Figura 2 está formada por tres unidades principales denominadas unidad de gasificación (generadora del gas de síntesis), unidad de fraccionamiento de aire (ASU, generadora de oxígeno y nitrógeno) y unidad de ciclo combinado (CC, productora de energía eléctrica) que están completamente integradas, lo que permite obtener una elevada eficiencia energética bruta de 47,12%PCI. En la Figura 2 se muestra el diagrama de bloques de la central GICC de Puertollano.

La central utiliza el proceso de gasificación de lecho arrastrado a presión para generar a partir de combustibles sólidos (carbón, residuos, biomasa, etc.) y oxígeno en defecto, a temperaturas cercanas a 1.600-1.700 °C, el gas denominado gas de síntesis, compuesto básicamente de CO y H2. Tras el exhaustivo proceso de limpieza del gas sintético, ya denominado gas limpio, se satura y se mezcla con nitrógeno residual procedente de la ASU (para evitar la formación de óxidos de nitrógeno -NOx- y aumentar la eficiencia global de la planta) y se quema en la turbina de gas del CC. Sus gases de escape se alimentan a una caldera de recuperación de calor produciendo vapor que, junto con el producido en la unidad de gasificación, genera electricidad adicional en una turbina de vapor convencional con ciclo de condensación. Además puede funcionar como CC convencional alimentando gas natural a la turbina de gas.

Además, la GICC de Puertollano es la única central del mundo que integra una planta piloto de captura de CO₂ y producción de H2 que se instaló en 2010 dentro del programa nacional de investigación PSE [1]. Tiene una capacidad de 14 MWt y se alimenta con 3.600 Nm³/h (base seca) del gas de síntesis generado en la planta GICC (equivalente al 2% del mismo) que puede ser desulfurado o sin desulfurar. Es capaz de capturar 100 toneladas/día de CO₂ (equivalente a una tasa de captura mayor del 90%) y co-producir 2 toneladas/día de H2 puro (99,99% de pureza). Esta instalación utiliza la captura en pre-combustión y está compuesta de tres unidades: conversión (shifting) que transforma el CO en CO₂ y H2, separación CO2-H2 por absorción química y purificación de H2 por adsorción. Desde su puesta en servicio ha estado en funcionamiento un total de 1.214 horas, capturando 3.500 t de CO₂ y produciendo 6 t de H2 puro.

Figura 2. Vista general de la central de Elcogas y de la planta piloto de captura de CO2.

Un comportamiento medioambiental excelente, una central con 20 años que cumple la DEI sin realizar inversiones Los datos de emisiones medias de SO2, NOx y partículas de Elcogas demuestran que cumple sobradamente con los límites vigentes así como con los límites que impondrá la Directiva de Emisiones Industriales (DEI), a pesar de utilizar una tecnología de hace 20 años, siendo la única central de carbón en España que no requiere ningún tipo de inversión para lograrlo, lo que demuestra de forma contundente los méritos medioambientales que la tecnología GICC presenta y que permiten su denominación como “tecnología limpia en el uso del carbón”.

Estos datos se muestra en la Figura 3, las emisiones medias de SO2, NOx y partículas de la planta de Elcogas en el año 2014 (en azul oscuro), en mg/Nm3 al 6% de O2, así como los límites existentes de su Autorización Ambiental Integrada, AAI CR-021, (en azul claro). Se han incluido para su comparación, los límites de diversas directivas europeas sobre emisiones. La primera de aplicación fue la Directiva 88/609/CE (en rojo), que ya no está vigente, la vigente actualmente es la Directiva 2001/80/CE (color verde) sobre “limitación de emisiones a la atmósfera de determinados agentes contaminantes procedentes de grandes instalaciones de combustión” y la Directiva 2010/75/CE (en morado), que entrará en vigor el 1 de enero de 2016, conocida como la DEI. Como puede observarse, la AAI es mucho más restrictiva que la Directiva en vigor, hecho lógico dado que Elcogas se creó como planta de demostración de uso limpio de carbón.

Figura 3. Valores medios de emisiones de SO2, NOx y partículas de Elcogas en 2014.

La gran versatilidad de alimentación, al poder alimentarse combustibles alternativos al habitual, es uno de los principales aspectos innovadores de la tecnología utilizada en Elcogas. Esto unido a su elevada eficiencia y excelente comportamiento medioambiental, convierten a esta central en un referente para la valorización de cualquier combustible y/o residuo. Esto se debe a las condiciones de operación del gasificador (de lecho arrastrado, 25 bar y 1.600 °C) que producen la conversión de cualquier material que se le alimente en CO y H2 (gas de síntesis), que provoca la ausencia de moléculas complejas en el gas de síntesis generado así como de alquitranes (típicos de otros tipos de gasificadores como los de lecho fijo o fluidificado).

Dentro de esta línea de investigación se han realizado numerosas pruebas reales a nivel industrial en la planta GICC según se muestra en la siguiente tabla. Estas pruebas reales se han desarrollado en actividades de investigación interna y en el marco de proyectos de investigación subvencionados, como en el proyecto nacional CENIT-PIIBE (nº proyecto CEN-20061012) y en el Fecundus dentro del Programa Europeo RFCS (nº proyecto RFCR-CT-2010-00009) sin realizar ningún tipo de modificación en la central. Éstas han permitido confirmar la versatilidad y viabilidad para valorizar mediante co-gasificación combustibles alternativos (4.988 toneladas de biomasas en 1.648 h de operación), mostrar que la co-gasificación de combustible orgánicos no modifica su excelente comportamiento medioambiental lo que refleja sus ventajas frente a otras alternativas como combustión o incineración, comprobar sus limitaciones y sentar las bases de futuros escenarios operativos de co-gasificación ([2] y [3]).

Las principales conclusiones que se pueden extraer de estas pruebas son:

• Sin influencia de la co-gasificación en el proceso. La central no ha visto afectados sus sistemas durante las pruebas en las que se alimentado hasta 10 toneladas/hora conjuntamente al combustible habitual. Se tiene referencia de cogasificación de hasta 25 t/h de biomasa sin afectar el funcionamiento y los límites de cogasificación se deben al sistema de limpieza de gas (debido al mayor contenido en cloruros de la biomasa) cuya solución es un redimensionamiento de dicho sistema.

• Confirmado alto rendimiento. Confirmado el rendimiento de gasificación con un rendimiento de gas frío entre 74-78% y un rendimiento térmico que varía entre 88-92%.

• Inmejorable comportamiento medioambiental. Se mantienen los niveles de emisiones de SOx < 30 mg/Nm³, NOx < 150 mg/Nm³ y de partículas < 1,0 mg/Nm³. Éstas emisiones son inferiores a las de las cementeras e incineradoras, cuyos valores son respectivamente en valores medios 2.393 mg/Nm³ y 2.182 mg/Nm³ en SOx, 38 mg/Nm³ y 173 mg/Nm³ para NOx y 140 mg/Nm³ y 7,6 mg/Nm³ en partículas.

Las emisiones de CO₂ se reducen, siendo < 620 t/MW al alimentar un 20% en peso de biomasa La siguiente figura muestra la comparativa entre los valores medios de NOx, SOx, partículas y CO₂ de cementeras e incineradoras y los límites de la Directiva de Emisiones Industriales 2010/75/CE.

La experiencia adquirida con la co-gasificación de biomasa ha servido de base para la realización de varios estudios de viabilidad con otros combustibles alternativos, para investigar su potencial de valorización en Elcogas.

Primeramente se estudió la forma de alimentar los combustibles alternativos a la central con el fin de aumentar la cantidad y la tipología de combustible, dado que los molinos existentes están diseñados para combustibles fósiles. Así se encontraron dos puntos alternativos de alimentación.

Uno corresponde a la tolva que ya actualmente almacena el combustible pulverizado y seco, para lo cual el combustible alternativo debería tener una humedad < 2 %, la temperatura de fusión de sus cenizas < 1.400 °C y su granulometría < 2 mm. El segundo punto es el propio gasificador a través de sus quemadores, para lo cual el combustible alternativo debería tener una humedad < 10%, temperatura de fusión de sus cenizas < 1.400 °C y una granulometría < 3 mm. La alimentación de combustibles alternativos en cualquiera de estos dos puntos conlleva una inversión que se estima en el rango de 10-30 millones de €.

Adicionalmente se han analizado a nivel de laboratorio diversos residuos para comprobar si pueden co-gasificarse en Elcogas. Por ello se les han realizado análisis de densidad, análisis inmediato y elemental, composición de las cenizas y estimación de su temperatura teórica de fusión, la curva de pérdidas por calcinación para conocer la temperatura de combustión y su granulometría. En la Tabla 2 se resumen los combustibles estudiados a nivel de laboratorio que pueden alimentarse a los molinos existentes, co-gasificándose conjuntamente con el combustible de diseño. La cantidad podría alimentarse de éstos varía entre 5% y 10% peso, en función fundamentalmente de su contenido en volátiles, humedad, cloro o su temperatura de combustión.

Además, se han estudiado otros combustibles alternativos que podrían co-gasificarse cuyo uso implica necesariamente la inversión ya mencionada:

• Residuos vegetales de carácter fibroso, como poda de viñedo, astilla de madera, orujillo de uva, cáscara de almendra o hueso de aceituna. En la Figura 4.a puede verse su aspecto.
• Residuos orgánico procesado y envases procesados (ver Figura 4.b)
• Residuos industriales (polvo de algodón, fibras textiles de neumáticos, lodos de destintado de papel)

La central GICC de Puertollano propiedad de Elcogas lleva demostrando las ventajas de la tecnología de gasificación para la producción de electricidad, dada su alta eficiencia, su excelente comportamiento medioambiental y su bajo coste de producción, desde hace casi dos décadas.

Cabe destacar que cumple holgadamente con los límites que impone la DEI (Directiva 2010/75/CE sobre Emisiones Industriales) a pesar de utilizar una tecnología de hace 20 años, siendo la única central de carbón en España que no requiere inversiones para lograrlo.

La versatilidad que ofrece esta planta para la valorización de biomasa se ha demostrado en pruebas reales de co-gasificación con 4.988 t co-gasificadas en 1.648 h de operación, mostrando un comportamiento medioambiental similar al del combustible habitual. La experiencia adquirida es la base de los estudios de viabilidad técnica realizados que concluyen que la valorización mediante co-gasificación de biomasa y de residuos permitiría deshacerse de éstos de forma sostenible, en lugar de enviarlos a vertedero con el consiguiente coste medioambiental y económico. Sin embargo, estos combustibles alternativos son en general menos competitivos que el habitual, por lo que para impulsar su uso, por las evidentes ventajas medioambientales que su co-gasificación conlleva, se deben valorar o recompensar de algún modo.

[1] “Elcogas 14 MWth pre-combustion carbon dioxide capture pilot. Technical & economical achievements” Casero, P., García-Peña, F., Coca, P. & Trujillo J. Fuel 116 (2014) 804–811.

[2] “Co-gasification of coal–petcoke and biomass in the Puertollano IGCC power plant” Daniele Sofia, Pilar Coca Llano, Aristide Giuliano, Mariola Iborra Hernández, Francisco García Peña and Diego Barletta. Chemical Engineering Research and Design 92 (2014) 1428-1440.

[3] “CO₂ emissions reduction technologies in IGCC: Elcogas’s experiences in the field”, Casero, P., Coca, P., García-Peña, F., Hervás, N. Greenhouse Gas Science Technol. 3 (2013) 1–13.