Ciclo de pila de combustible de gasificación integrada

Los tipos de celdas de combustible de baja temperatura, como la celda de combustible de membrana de intercambio de protones , la celda de combustible de ácido fosfórico y la celda de combustible alcalina , requieren hidrógeno puro como combustible, generalmente producido a partir del reformado externo de gas natural . Sin embargo, las celdas de combustible que operan a alta temperatura, como la celda de combustible de óxido sólido (SOFC), no se envenenan con monóxido de carbono y dióxido de carbono, y de hecho pueden aceptar directamente mezclas de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor y metano como combustible, debido a sus capacidades internas de cambio y reformado. ^{[ 1 ]} Esto abre la posibilidad de ciclos de potencia eficientes basados ​​en celdas de combustible que consumen combustibles sólidos como carbón y biomasa , cuya gasificación produce gas de síntesis que contiene principalmente hidrógeno, monóxido de carbono y metano, que puede limpiarse y alimentarse directamente a las SOFC sin el costo adicional y la complejidad de las operaciones de reformado de metano, cambio de gas de agua y separación de hidrógeno que de otro modo serían necesarias para aislar hidrógeno puro como combustible. Un ciclo de potencia basado en la gasificación de combustible sólido y SOFC se denomina ciclo de celda de combustible de gasificación integrada (IGFC); La central eléctrica IGFC es análoga a una central eléctrica de ciclo combinado de gasificación integrada , pero con la unidad de generación de energía de turbina de gas reemplazada por una unidad de generación de energía de pila de combustible (tipo de alta temperatura como SOFC). ^{[ 2 ]} Al aprovechar la alta eficiencia energética intrínseca de las SOFC y la integración de procesos, se pueden lograr eficiencias excepcionalmente altas en la central eléctrica. Además, las SOFC en el ciclo IGFC pueden operarse de manera que aíslen una corriente de escape anódica rica en dióxido de carbono, lo que permite una captura de carbono eficiente para abordar las preocupaciones sobre las emisiones de gases de efecto invernadero de la generación de energía a base de carbón .

El sistema IGFC combina el uso de SOFC como ciclo superior con el ciclo inferior basado en turbina de gas o generador de vapor de recuperación de calor. Los componentes principales típicos del sistema IGFC, centrado en un módulo SOFC que funciona a presión atmosférica, se identifican en el diagrama de ciclo simplificado.

El combustible del sistema, tal como se muestra, es carbón, convertido en gas de síntesis por el gasificador, que luego se suministra al módulo SOFC tras su limpieza y reducción de presión. La reducción de presión del gas de síntesis se realiza en este concepto de sistema mediante un expansor/generador , que produce parte de la generación de energía bruta del ciclo. El oxígeno para el proceso de gasificación del carbón se obtiene mediante una unidad de separación de aire convencional , y el vapor para el gasificador se genera mediante el calor del sistema eléctrico y agua reciclada. Cabe destacar que el módulo SOFC está configurado para mantener separadas las corrientes de gases de escape del ánodo y el cátodo, y el gas de escape del ánodo, que contiene hidrógeno y monóxido de carbono sin reaccionar electroquímicamente, se combustiona completamente en el oxicombustible . Mantener la separación de las corrientes de gases de escape restringe el alto contenido de nitrógeno atmosférico al lado del cátodo y simplifica el proceso de captura de CO₂ _a enfriamiento del gas de escape del ánodo, condensación de vapor de agua, secado de CO₂ _y compresión de CO₂ _{. El CO₂} comprimido es adecuado para la utilización o el almacenamiento de carbono (CUS), según corresponda. El calor recuperado del proceso del lado del ánodo puede utilizarse en un ciclo inferior de generación de energía que consta de un generador de vapor de recuperación de calor y una turbina de vapor . En el lado del cátodo, el aire de proceso para el proceso electroquímico de la SOFC y para la refrigeración del módulo se suministra mediante un soplador de aire; el calor puede recuperarse del flujo de gases de escape calientes del cátodo para precalentar el aire de proceso según sea necesario y para la generación de energía adicional. Debido a la eficiencia inherente de la SOFC y al uso del calor residual recuperado de la SOFC para generar energía eléctrica adicional, un sistema IGFC es capaz de operar con una alta eficiencia eléctrica que supera significativamente la asociada con los sistemas de energía de ciclo combinado de carbón pulverizado y gasificación integrada convencionales . Los márgenes de eficiencia de IGFC considerados alcanzables, basados ​​en los estudios comparativos de sistemas de energía avanzados del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía de EE. UU. , se muestran en la tabla que se presenta más adelante.

Es posible mejorar la eficiencia del ciclo IGFC mediante la operación presurizada de las SOFC, como se muestra en el diagrama del ciclo IGFC con SOFC presurizada. El proceso es básicamente similar al ciclo a presión atmosférica, pero opera el módulo SOFC a presión elevada, logrando un aumento de voltaje, y reemplaza el soplador de aire de proceso del lado del cátodo con un compresor de aire. Además, se instalaría un expansor/generador en la corriente de gases de escape del cátodo para reducir las presiones de los gases y generar energía adicional (esto tiende a disminuir tanto la temperatura de los gases que la generación de vapor para hacer funcionar una turbina de vapor no es una opción viable). Opcionalmente, también se podría colocar un conjunto expansor/generador en la corriente de gases de escape del ánodo, justo después del oxicombustión y antes de la recuperación de calor de los gases de escape.

Existen en el mercado varios tipos de gasificadores de combustible sólido para la gasificación de carbón, coque de petróleo y biomasa. Los diseños varían según el combustible y la aplicación prevista. En consecuencia, pueden diferir en la composición del gas de síntesis producido y en la eficiencia con la que convierten el contenido energético del carbón en contenido energético del gas de síntesis, un parámetro de rendimiento que se suele denominar eficiencia del gas frío. ^{[ 3 ]} Los gasificadores también varían en sus principales parámetros operativos, como la temperatura del proceso, la presión y las necesidades de oxígeno y vapor. Para los sistemas de energía basados ​​en la integración de tecnologías de gasificación de carbón y SOFC, estos parámetros, en particular la eficiencia del gas frío y las necesidades de oxígeno y vapor, afectarán la eficiencia de la producción de electricidad.

Los gasificadores son de tres tipos principales: de flujo arrastrado, de lecho móvil y de lecho fluidizado. ^{[ 4 ]} Los gasificadores de flujo arrastrado (p. ej., GE Energy, Shell, E-Gas™, Siemens) podrían despertar interés inicial para aplicaciones de sistemas de energía con pilas de combustible porque están relativamente bien desarrollados y se utilizan en los diseños y aplicaciones actuales de sistemas de energía de ciclo combinado de gasificación integrada. La gasificación de flujo arrastrado generalmente se lleva a cabo a temperaturas de proceso relativamente altas, requiere un aporte de oxígeno a tasas relativamente altas, un aporte de vapor a tasas bajas a moderadas, y produce un producto de gas de síntesis con un contenido de metano muy pequeño, típicamente menos del 1 % (vol). Las eficiencias de gas frío para la gasificación de flujo arrastrado generalmente están en el rango del 80 %. El gasificador de lecho móvil (p. ej., Lurgi) opera a niveles de temperatura moderados y con requisitos moderados de suministro de oxígeno y vapor. La eficiencia de gas frío que logra este gasificador es más alta, alrededor del 90 %, y su corriente de producto de gas de síntesis tendrá un contenido de metano nominalmente en el rango del 4-5 % (vol). ^{[ 5 ]} La gasificación en lecho fluidizado (por ejemplo, KBR Transport) se lleva a cabo con características similares, pero presentará un contenido de metano en el gas de síntesis algo menor, típicamente en el rango de 2-3% (vol). ^{[ 6 ]}

De particular interés para el sistema de energía IGFC basado en SOFC es la gasificación catalítica del carbón, debido al alto contenido característico de metano de su gas de síntesis resultante. Este proceso se desarrolló en la década de 1980 para la producción de gas natural sintético. En comparación con la gasificación convencional resumida anteriormente, un gasificador catalítico requeriría menos oxígeno, funcionaría a una temperatura de proceso más baja y produciría una corriente de gas de síntesis con una mayor concentración de metano [15-30% (vol)], además de hidrógeno y monóxido de carbono. ^{[ 7 ]} Con su menor temperatura de operación, se proyecta una eficiencia de gas frío relativamente alta de al menos el 90% para la gasificación catalítica, y esta característica, así como la necesidad de un menor aporte de oxígeno en el proceso, respaldaría directamente la operación de alta eficiencia del sistema de energía IGFC. Además, la reformación interna del considerable contenido de metano de su gas de síntesis dentro del módulo SOFC puede utilizarse por diseño para ayudar a la refrigeración del módulo, y por lo tanto puede conducir a reducciones en la demanda de energía parásita asociada con el suministro de aire de refrigeración. El módulo generador de energía eléctrica SOFC en un sistema IGFC podría alimentarse con gas de síntesis suministrado por cualquiera de los gasificadores de carbón convencionales disponibles. Los estudios indican que se pueden lograr eficiencias eléctricas del sistema de entre el 45 % y el 50 %, dependiendo de si el sistema utiliza módulos SOFC a presión atmosférica o presurizados. Sin embargo, desde el punto de vista de la eficiencia, el método de gasificación de carbón preferido para esta aplicación es el catalítico. Con esta tecnología, se proyectan eficiencias del sistema IGFC de entre el 56 % y el 60 %, dependiendo también de la presurización del módulo SOFC. Las estimaciones y comparaciones se presentan en la tabla a continuación.

† Las estimaciones de eficiencia incluyen los efectos de las cargas de energía parásitas debidas a la compresión de CO ₂ para el secuestro/almacenamiento de carbono.

Además de las altas eficiencias del sistema de energía, los estudios ^{[ 2 ] [ 9 ]} también proyectan importantes ventajas en cuanto al costo de capital de la planta de energía del sistema IGFC, el costo de la electricidad y el uso neto de agua: los sistemas de energía eléctrica IGFC que integran la gasificación catalítica del carbón con diseños de módulos SOFC que separan las corrientes de gases de escape del ánodo y el cátodo, y que cuentan con refrigeración SOFC aumentada por reformado de metano, funcionarían de forma limpia con eficiencias eléctricas muy altas, al tiempo que proporcionarían altos niveles de captura de carbono y requerirían una baja entrada neta de agua.

El diseño de SOFC y la configuración del proceso IGFC pueden simplificar enormemente la captura de dióxido de carbono , ^{[ 10 ]} que será cada vez más demandada para las bajas emisiones de gases de efecto invernadero de la mayoría de los procesos de utilización de combustibles fósiles. En la combustión convencional , el combustible se quema en el aire, lo que produce gases de escape que contienen una gran cantidad de nitrógeno, de los cuales la captura de una corriente de dióxido de carbono puro (necesaria para el almacenamiento de carbono en escenarios de control de emisiones de gases de efecto invernadero) es ineficiente. En la oxicombustión , el oxígeno se extrae del aire y se utiliza para la combustión del combustible, lo que produce gases de escape no contaminados con nitrógeno, de los cuales la captura de una corriente de dióxido de carbono puro es eficiente. Sin embargo, se incurre en una gran penalización energética para realizar la separación del aire necesaria para aislar la corriente de oxígeno en primer lugar. Por el contrario, para el funcionamiento de SOFC no se requiere ni la captura ineficiente de carbono de los gases de escape ni la separación del aire: la única interacción requerida de las corrientes de reactivos del ánodo y el cátodo es la transferencia de oxígeno del lado del cátodo (aire) al lado del ánodo (combustible). Todo el carbono, salvo la cantidad insignificante presente en el aire atmosférico que ingresa por el cátodo, entrará al módulo junto con el combustible en el lado del ánodo y deberá salir del ánodo en forma de dióxido de carbono y monóxido de carbono. Al diseñar el módulo SOFC para mantener separadas las corrientes de gases de escape del ánodo y del cátodo, se evita la dilución de dicha corriente rica en carbono con el nitrógeno atmosférico proveniente del cátodo, lo que permite una separación y captura de dióxido de carbono sencilla y económica en etapas posteriores.

• Celda de combustible de óxido sólido
• Ciclo combinado de gasificación integrada

• Programa de pilas de combustible de óxido sólido del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía. Archivado el 15 de abril de 2016 en Wayback Machine.
• Programa de gasificación del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía. Archivado el 10 de septiembre de 2014 en Wayback Machine.
• Sistemas integrados de pilas de combustible de óxido sólido para gasificación de carbón