Comercialización de la gasificación del carbón

La gasificación del carbón es un proceso mediante el cual una materia prima de hidrocarburos (carbón) se convierte en componentes gaseosos aplicando calor a presión en presencia de vapor. En lugar de quemarse, la mayor parte de la materia prima que contiene carbono se descompone mediante reacciones químicas que producen "gas de síntesis". El gas de síntesis se compone principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono, pero su composición exacta puede variar. En los sistemas de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC), el gas de síntesis se limpia y se quema como combustible en una turbina de combustión que luego acciona un generador eléctrico . El calor residual de la turbina de combustión se recupera y se utiliza para generar vapor para una turbina-generador de vapor. El uso combinado de estos dos tipos de turbinas es una de las razones por las que los sistemas de energía basados ​​en gasificación pueden alcanzar altas eficiencias de generación de energía. Actualmente, los sistemas basados ​​en gasificación disponibles comercialmente pueden operar con eficiencias de alrededor del 40 %. ^{[ 1 ]} Sin embargo, el gas de síntesis emite más gases de efecto invernadero que el gas natural y casi el doble de carbono que una planta de carbón. La gasificación del carbón también requiere un alto consumo de agua. ^{[ 2 ]}

Según el Consejo de Tecnologías de Gasificación y Gas de Síntesis, una asociación comercial , existen a nivel mundial 272  plantas de gasificación en funcionamiento con 686  gasificadores y 74  plantas con 238  gasificadores en construcción. La mayoría de ellas utilizan carbón como materia prima. ^{[ 3 ]}

En 2017, la expansión a gran escala de la industria de gasificación del carbón se producía únicamente en China, donde los gobiernos locales y las empresas energéticas la impulsaban para generar empleo y un mercado para el carbón. El gobierno central era consciente del conflicto con los objetivos medioambientales. En su mayoría, las plantas se ubican en zonas remotas ricas en carbón. Además de producir grandes cantidades de dióxido de carbono, las plantas consumen grandes cantidades de agua en zonas donde este recurso es escaso. ^{[ 4 ]}

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Gasificación de carbón bituminoso para producir electricidad

El Proyecto de Repotenciación de Gasificación de Carbón del Río Wabash fue una demostración de tecnología avanzada de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC), una empresa conjunta entre la Empresa Conjunta del Proyecto de Gasificación de Carbón del Río Wabash y el Departamento de Energía de los Estados Unidos. ^{[ 6 ]} El término “repotenciación” se refiere a la sustitución de una planta de carbón pulverizado convencional obsoleta por la planta IGCC. La construcción comenzó en julio de 1993 cerca de West Terre Haute, Indiana, seguida de la puesta en marcha operativa en noviembre de 1995. La fase de demostración del proyecto se completó y se entregó para operación comercial en diciembre de 1999.

La tecnología de gasificación empleada en Wabash River IGCC fue desarrollada originalmente por Dow Chemical y posteriormente transferida a Destec, una filial participada parcialmente por Dow Chemical. Más tarde, ConocoPhillips adquirió dicha tecnología . Actualmente, CB&I licencia esta tecnología de proceso bajo el nombre E-GAS™. ^{[ 7 ]}

La central eléctrica IGCC del río Wabash está diseñada para utilizar diversos tipos de carbón local, incluidos carbones bituminosos del Medio Oeste con alto contenido de azufre, como el Illinois n.° 6. Además, se consume coque de petróleo y mezclas de carbón y coque, en un rango de aproximadamente 2500 toneladas por día, para generar una producción neta de electricidad de aproximadamente 262 MWe. ^{[ 8 ]}

El diseño de la planta se realizó con el objetivo de superar los estándares de emisiones de la Ley de Aire Limpio (CAA), que limitan el dióxido de azufre (SO₂ ₎ a 1,2  lb/millón de Btu de combustible y el NOₓ _a 0,15  lb/millón de Btu. Las emisiones demostradas son muy inferiores a estos objetivos. A pesar de que la generación de energía en el complejo de Wabash River es casi tres veces mayor que la de la unidad original, las emisiones totales representan una fracción de los valores previos a la puesta en marcha gracias al sistema IGCC. Las emisiones de partículas son insignificantes.

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Gasificación de carbón bituminoso para producir electricidad

La construcción de esta unidad IGCC en la central eléctrica Polk de Tampa Electric Company (condado de Polk, Florida) comenzó en octubre de 1994, seguida de la puesta en marcha operativa en septiembre de 1996. El proyecto funcionó durante cuatro años como demostración y continúa operando como una instalación de producción de energía para Tampa Electric. La planta utiliza el gasificador de flujo arrastrado y soplado de oxígeno de GE Energy (anteriormente propiedad de Texaco) ^{[ 10 ]} para producir gas de síntesis a partir de carbón o coque de petróleo, que alimenta un sistema de turbina de ciclo combinado para producir electricidad. La unidad IGCC consume 2200 TPD de carbón bituminoso , produciendo 260 MW de electricidad.

La siguiente tabla ^{[ 11 ]} cuantifica las emisiones de la central eléctrica de Polk, comparándolas con las emisiones asociadas a las tecnologías convencionales de generación de electricidad a partir de carbón. Como es típico en la generación de electricidad basada en la gasificación del carbón con generación de ciclo combinado, las emisiones de contaminantes son mucho menores que las de las tecnologías convencionales. Por ejemplo, a pesar de que la unidad IGCC se alimenta con carbón con alto contenido de azufre y/o coque de petróleo, las emisiones de azufre son muy bajas gracias al sistema de tratamiento de gas con amina MDEA , que elimina el H₂S _del gas de síntesis que alimenta la turbina de combustión. ^{[ 12 ]}

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Gasificación de carbón bituminoso para producir electricidad

Duke Energy inició la construcción de una planta IGCC en Edwardsport, Indiana, en 2008, la cual comenzó a operar comercialmente en junio de 2013. La unidad IGCC en Edwardsport consumirá entre 1,7 y 1,9 millones de toneladas de carbón al año para generar 618 MW de electricidad de carga base. Utiliza tecnología de gasificación GE, turbinas de combustión GE 7FB y una turbina de vapor GE. La planta IGCC reemplaza una central eléctrica de carbón de 160 MW, ahora demolida, en el mismo emplazamiento. Si bien puede producir casi cuatro veces la potencia de la unidad a la que reemplaza, tiene emisiones mucho menores de SO₂ _, NOₓ _y partículas. Existe potencial para la captura de carbono y el secuestro geológico en el contexto del proyecto IGCC de Edwardsport, con espacio reservado en el sitio para equipos de captura de _CO₂ . Asimismo, Duke inició un estudio preliminar de ingeniería y diseño para la captura de carbono y presentó una solicitud de 121 millones de dólares ante la Comisión Reguladora de Servicios Públicos de Indiana para la caracterización detallada de acuíferos salinos profundos, campos de petróleo o gas agotados y recuperación mejorada de petróleo. Schlumberger Carbon Services comenzará la evaluación del sitio para el secuestro de carbono en acuíferos salinos profundos cerca de la planta.

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Gasificación del carbón para producir productos químicos

Una de las primeras y más destacadas plantas químicas basadas en la gasificación del carbón en los Estados Unidos es propiedad de Eastman Chemical Company y está ubicada en Kingsport, Tennessee . Conocida como la planta de gasificación integrada de carbón de Eastman, se inauguró en 1983 y está diseñada para procesar gas de síntesis proveniente de la gasificación del carbón del suroeste de Virginia y el este de Kentucky, utilizando gasificadores Texaco (ahora tecnología de gasificadores GE ^{[ 15 ]} ). Los productos intermedios de la conversión del gas de síntesis son metanol y CO; estos se transforman posteriormente en productos que consisten en 500 millones de libras por año de productos químicos acetílicos, incluyendo anhídrido acético y ácido acético, suficiente para abastecer la mitad de las necesidades de acetilo de Eastman. Los productos químicos acetílicos son importantes para muchos de los productos de Eastman, pero especialmente para aquellos en el sitio de Kingsport, donde cinco de las siete divisiones de fabricación dependen de los acetilos como materia prima. El éxito de la operación llevó a la decisión de ampliar la capacidad de la planta a más de mil millones de libras por año para satisfacer todas las necesidades de Eastman.

La configuración del proceso en Eastman es bastante compleja, como consecuencia de los requisitos de materia prima asociados a las múltiples síntesis químicas involucradas. Parte del gas de síntesis resultante de la gasificación del carbón de alimentación se desvía, y se utiliza un proceso Rectisol para la eliminación de azufre y CO₂ _{. El CO₂} recuperado se vende para su uso en la elaboración de bebidas carbonatadas. ^{[ 16 ]}

Gasificación del lignito para producir gas natural sintético o amoníaco.

La planta Great Plains Synfuels (GPSP) en Beulah, Dakota del Norte, ha estado en funcionamiento desde 1984 produciendo gas natural sintético (GNS) a partir de carbón lignito, ^{[ 17 ]} y sigue siendo la única instalación de carbón a GNS en los Estados Unidos. GSPS es operada por Dakota Gasification Company . Además de la producción de GNS, la planta también produce dióxido de carbono de alta pureza, que se distribuye a través de un gasoducto a usuarios finales en Saskatchewan, Canadá (Apache Canada en el campo Midale y Cenovus Energy en el campo Weyburn, hasta que ese activo fue vendido a Whitecap Resources en 2017 ^{[ 18 ]} ) para operaciones de recuperación mejorada de petróleo .

La rentabilidad operativa de la planta de procesamiento de gas natural (GPSP) se ve afectada por el precio de mercado del gas natural, con el que compite el gas natural sintético (SNG). En respuesta, en la década de 1990 se añadió una unidad de síntesis de amoníaco anhidro al proceso de la planta, ^{[ 19 ]} diversificando así su línea de productos, que actualmente depende de combustibles sintéticos (SNG), con una capacidad sustancial para producir amoníaco anhidro, materia prima para la producción de fertilizantes. La planta puede orientar su producción hacia productos de mayor valor, según las fluctuaciones del mercado.

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Gasificación del carbón lignito para producir electricidad

Southern Company Services/Mississippi Power comenzó la construcción de una nueva planta IGCC ubicada en el condado de Kemper, Mississippi, en diciembre de 2010. La construcción del proyecto Kemper está completada en un 75% a enero de 2013. ^{[ 21 ]} El inicio de las operaciones comerciales de la planta está programado para 2016, en el cual la planta convertirá 12 000 toneladas de carbón local de bajo rango de Mississippi por día (grandes reservas de 4 mil millones de toneladas de lignito explotable se encuentran cerca de la planta) para producir 582 MW (netos) de electricidad. La nueva planta utilizará la tecnología de gasificación TRIG™ de KBR, ^{[ 22 ]} adecuada para el aprovechamiento de los recursos locales de lignito; dos de los gasificadores operarán en modo de soplado de aire en la planta del condado de Kemper.

KBR y Southern Company, en colaboración con el Departamento de Energía (DOE), desarrollaron el sistema TRIG™ y otros sistemas relacionados para la gasificación de carbón de bajo rango en las instalaciones de desarrollo de sistemas de energía (PSDF) en Wilsonville, Alabama. Estas instalaciones consistieron en una demostración a escala de ingeniería del sistema TRIG™ y sus subsistemas críticos asociados. Esto proporcionó la base de ingeniería y operativa para la planta a gran escala que actualmente se está construyendo en el condado de Kemper.

La planta capturará y almacenará el 65% del CO₂ _que produce mediante la recuperación mejorada de petróleo . Los sistemas de control de emisiones eliminarán más del 99% del SO₂ _y del P₂₅, al menos el 90% del Hg, y limitarán las emisiones de NOₓ _a menos de 0,07  lb/millón de Btu.

Se estima que el proyecto IGCC del condado de Kemper costará 4700 millones de dólares, pero la planta de Kemper será la más económica de operar una vez que esté en funcionamiento. Mississippi Power ha recibido una subvención de 270 millones de dólares del Departamento de Energía y 412 millones de dólares en créditos fiscales a la inversión aprobados por el IRS a través de la Ley Nacional de Política Energética de 2005 y la Ley de Mejora y Extensión Energética de 2008.

El componente de gasificación de este proyecto ha sido cancelado.

Sasol , en Sudáfrica , opera plantas de gasificación comerciales en Secunda, Mpumalanga y en Sasolburg . ^{[ 23 ]}

Durante la sesión de 2011 de la legislatura de Illinois se consideraron propuestas para brindar apoyo financiero a plantas de gasificación de carbón de última generación en Chicago y el sur de Illinois. Los proyectos de ley exigen que las empresas de servicios públicos de Illinois compren gas a precios fijos a las plantas durante 30 años. La planta de Chicago, que será construida por Chicago Clean Energy, una subsidiaria de Leucadia National Corporation , tiene un presupuesto de 3 mil millones de dólares. Estaría ubicada en un área industrial existente en el lado sureste, en Burley Avenue, cerca de la calle 116. Además de carbón, la planta utilizaría coque, un subproducto de la refinería de petróleo, como materia prima. El dióxido de carbono producido durante el proyecto sería secuestrado. ^{[ 24 ]} El proyecto de ley para construir la planta de Chicago fue aprobado por la legislatura, pero vetado por el gobernador de Illinois, Pat Quinn, quien alegó problemas de costos. Debido a la incertidumbre sobre el suministro y los precios del gas natural, la financiación alternativa es dudosa. Otra planta, Indiana Gasification, LLC, también una subsidiaria de Leucadia National Corporation y con un plan de negocios similar, se propone para Rockport, Indiana, donde el estado ha acordado comprar gas durante 30 años a un precio fijo. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Entre finales de 2011 y principios de 2012, la asociación carbonera otorgó alrededor de 18 licencias de explotación de carbón para la creación de nuevas plantas de gasificación en Gran Bretaña . La mayor de ellas se ubica en la bahía de Swansea , donde se encuentran bajo el agua hasta mil millones de toneladas de carbón. Si estas licencias se aprueban, el Reino Unido podría volver a ser una importante potencia mundial en el sector del carbón.

Desde 2012, Ucrania está cambiando gradualmente de tecnologías basadas en gas natural a tecnologías de gasificación de carbón desarrolladas por China . ^{[ 27 ]}