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¿Carbón Como Combustible Alternativo?
V Congreso Latino
Americano y del Caribe
de Gas y Electricidad
Buenos Aires, Argentina
15-18 de mayo de 2006
Ing. Maria Reidpath
Programa Internacional
National Energy Technology Laboratory
Office of Fossil Energy
U.S. Department of Energy
¿Carbón?
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
En Estados Unidos:
¡250 Años de Reservas Probadas!
Tasa de Reservas/Producción de Combustibles Fósiles de EE.UU
300
258
200
Coal
SubBituminous
&
Lignite
Oil
Natural Gas
100
Anthracite &
Bituminous
11.7
9.7
0
Sources: BP Statistical Review, June 2004, - for coal reserves data - World Energy Council;
EIA, Advance Summary U.S. Crude Oil, Natural Gas, and Natural Gas Liquids Reserves, 2003 Annual Report, September 22, 2004 - for oil and gas reserves data
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
¡El Carbón Se Vuelve más Limpio Mientras la
Demanda Crece!
Index: 1970 = 1
4
Coal Use
Electricity
Generation
3
2
1
0
1970
NOx
SO2
Particulate
Matter
1980
1990
2000
Year
2010
2020
EPA, National Air Quality and Emissions Trends Report, 1999 (March 2001)
DOE, EIA Annual Energy Review
Projections for NOx and SO2: Clear Skies Initiative
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Reducción de Emisiones de CO2
(Todos los Combustibles Fósiles & Sectores Energéticos
Contribuyen a las Emisiones de CO2 )
Emisiones de Dióxido de Carbono en
los Estados Unidos
(Por Fuente & Por Sector)
Transportate
32%
Transporte
32%
Residencial
21%
Industrial
29%
Comercial
18%
Otro
30%
Gas Natural
21%
Electricidad
39%
Carbónl
36%
Petróleo
43%
AEO2004
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Retos para Investigación y Desarrollo en Tecnologías
a base de Carbón
 Emisiones “casi-cero”
 Manejo de CO2
 Alta eficiencia
 Uso de Agua
 Utilización de los Subproductos
 Flexibilidad
 Competitividad en costo frente a otras
opciones energéticas
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Estrategia para Investigación, Desarrollo y
Despliegue de Tecnologías a Base de Carbón
• Corto plazo: mantener en servicio
la flota actual; prepararse para la
transición a un futuro de emisiones
casi-cero
 SO2, NOx, Hg
 Optimización y control de planta
 Reducir la intensidad del carbón
• Largo plazo: agregar plantas
energéticas de emisiones casi-cero
 Llevar IGCCs al mercado
 Materiales avanzados
 Sistemas híbridos ultra-eficientes
 captura y almacenamiento de CO2
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Rev. 071404
Sendas Críticas para Tecnología
Controles para el Medio Ambiente para Plantas
Existentes
 Combustión con Bajo NOx; Reducción
de costos
 Control de Mercurio (captura >90%)
 Control de Particulados Finos
Combustión Avanzada
•
•
•
Vapor Ultra-supercrítico
Combustión de Oxígeno
Conceptos de Avanzada (e.g. oxygen
“carriers”)
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Sendas Críticas para Tecnología
Manejo del Carbono
 Captura de CO2
 Confinamiento de CO2
 Monitoreo y Verificación
Integración de Sistemas
 Modelaje integrado de centrales eléctricas y
simulación virtual
 Sensores y control de procesos inteligentes
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Sendas Críticas para Tecnología
Sistemas de Gasificación
 Mejoras en los Gasificadores; nuevos diseños
 Separación de Membrana de Oxigeno
 Purificación de Syngas (limpieza) y
Separación (e.g. hidrógeno, CO2)
Conversión de Energía
 Tecnologías Avanzadas para
turbinas a gas usando syngas
 Sistemas de Celdas de Combustible
usando syngas
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
La Gasificación Provee “Productos Múltiples”
(Electricidad, Hidrógeno, Combustibles líquidos, Químicos, GNS)
CO2
Water-Gas
Shift
Oxygen
Plant
Use
Hydrogen
Liquid Fuels
Syngas
1929 MMBtu/Hr
Chemicals
SNG
Steam
Stack
Water
Steam
Superheater
Sulfur
Removal
Coal
3000 TPD
Steam Turbine
Electricity
9.7 MW
Quench
Gasifier
85%
Availability
Particulate
Removal
Pure Sulfur
Slag/Fines
Solids
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
La gasificación del carbón
representa la mejor
promesa para la
producción de hidrógeno
desde carbón, así como
también la próxima
generación de producción
de electricidad basada en
carbón.
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Gasificación
 En vez de quemar el carbón directamente, la gasificación
del carbón hace que el carbón actúe con vapor, con
cantidades muy cuidadosamente controladas de aire u
oxigeno, bajo grandes temperaturas y presiones.
 El calor y la presión quiebran la compleja estructura
molecular del carbón y permiten que los átomos del carbón
reaccionen con el vapor para formar una mezcla gaseosa
que contiene hidrogeno, monóxido de carbono, y
cantidades pequeñas de impurezas.
 Estas impurezas son separadas del vapor gaseoso, dejando
un gas derivado del carbón (syngas) que puede competir
con el gas natural en cuanto a calidad ambiental.
 El syngas es convertido a hidrógeno, monóxido de carbono,
y dióxido de carbono, con el hidrógeno disponible para
generación central, generación distribuida, o conversión a
un combustible líquido.
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Hidrogeno de Combustibles Fósiles
Actualmente, los esfuerzos en NETL comienzan
con la gasificación de carbón para producir
"syngas." Otros esfuerzos se enfocan en
tecnología de reformadores para Celdas de
Combustible (PEM)
 Generación de Electricidad usando hidrógeno:
Celdas de Combustible de Oxido Sólido, de gran
eficiencia, para generación distribuida y altamente
eficientes sistemas híbridos de celdas con
turbinas para la generación de electricidad y calor
 Investigación sobre hidrogeno
Esta investigación se refiere a la gasificación del
carbón y a la separación del hidrogeno
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Celdas de Combustible
Proceso
Electroquímico
Conversión Directa
a Electricidad
H2 + ½O2 → H2O +
Electricidad
Electricidad
contínua mientras
se le provee
combustible y aire
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Celda de Combustible de Ácido Fosfórico
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Retos Claves para el Carbón:
Costo y el Medio Ambiente
“Our nation is blessed with
enough coal to last another 250
years. . . . Coal presents an
environmental challenge. . . .
That's why clean coal technology
is critical to the future of this
country.”
“In order to make sure we have
a growing economy, in order to
make sure people can find work
. . . we need affordable, reliable,
secure supplies of energy.”
— Presidente George W. Bush
Columbus, Ohio, 9 de marzo 2005
Photos by Eric Drapa and Krisanne Johnson
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
La Administración Bush con respecto al
Cambio Climático Global
“He pedido a mis asesores que consideren maneras de
reducir emisiones de gases de invernadero, incluyendo
aquellas que tocan el poder de los mercados, ayudan a
cumplir con la promesa de las tecnologías y aseguran la
más amplia participación global…. Nuestras acciones
deben ser medidas mientras aprendemos más de la
ciencia y construimos en esa base. Nuestro método
debe ser flexible como para reajustarnos a la nueva
información y aprovechar nueva tecnología. Debemos
actuar siempre para asegurarnos el continuo
crecimiento económico y la prosperidad de nuestros
ciudadanos y de los ciudadanos a través del mundo.”
– Presidente George W. Bush
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Los Compromisos de Bush con Respecto al
Cambio Climático (parcial)
 Reducir en 18% la Intensidad de los Gases de
Invernadero de la Economía de EE.UU en los
próximos 10 Años (Esta meta es comparable con el
progreso promedio requerido de las naciones participantes en el
Protocolo de Kyoto)
 Mejorar Sustancialmente el Registro de
Reducciones de Emisiones (Estas mejorara la
precisión, confiabilidad y veracidad de los registros)
 Aumentar los fondos para los Compromisos
de EE.UU con respecto al Cambio Climático
 Incentivos a través de reducciones en los
impuestos cuando hay disminución de
Emisiones de Gases de Invernadero
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Fondos para Cambio Climático
El presupuesto propuesto por Bush para el año
2006 incluyó US $5.5 mil millone para programas
de cambio climático. Esto incluye casi US $3 mil
millones para el Programa de Tecnología para el
Cambio Climático, casi US $2 mil millones para el
Programa de Ciencia para el Cambio Climático y
$200 millones para asistencia en programas
internacionales relacionados con el cambio
climático.
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Incentivos a través de Reducciones en los
Impuestos
En el presupuesto para el año fiscal 2006, el Presidente
propone estímulos a través de los impuestos para promover las
reducciones de emisiones de gas de invernadero. Estos
incentivos totalizan US $524 millones en 2006 y $3.6 mil
millones sobre 5 años. Los estímulos se apuntan al uso de
energía limpias, renovables y eficientes. En concordancia con
la política energética Nacional, los estímulos de impuestos
incluyen los créditos para la compra de vehículos híbridos o
con celdas de combustible, sistemas solares de calefacción
residencial, uso energético de gas de rellenos sanitarios,
electricidad producida por fuentes alternativas de energía
tales como viento y biomasa, y sistemas combinados de calor y
potencia
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Programas de Demostración en Carbón del DOE
Una Historia de Proyectos Innovativos
Clean Coal Power
Initiative
2002-2012
Power Plant
Improvement Initiative
2001
Clean Coal Technology
Program
1985-1993
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Éxitos del Programa CCT
Controles Avanzados de Contaminación
Low-NOx Burners
 Instalados en 75% de las plantas de carbón
de EE.UU.
 1/2 a 1/10 del costo de sistemas anteriores
JEA CFBC Power Plant
Sistemas Avanzados de Potencia
a Carbón Comprobados
 Dos centrales IGCC “super-limpias”
operando normalmente
 La planta PFBC más grande
Tampa Electric
IGCC Power Plant
PSI Energy Wabash River
IGCC Power Plant
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
APPROXIMATE Total Plant Costs (TPC) by Type ($/Kw)
TYPE
Sin
Captura
de CO2
1,100
Con
Captura
de CO2
NA
supercritical PC plant with SO2
scrubbers
1,350
2,350
Fluidized Bed Combustion (FBC)
1,400
2,400
Integrated Gasification Combined
Cycle (IGCC)
1,600
2,000
Pulverized Coal (PC) –
“conventional”
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
“FutureGen”: Generación de Electricidad a
Carbon con Emisiones Cero
En febrero de 2003, el Presidente Bush anunció
que los Estados Unidos auspiciará con socios
internacionales y del sector privado, un
proyecto de US $1 mil millones, en 10 años, para
crear la primera central eléctrica del mundo
basada en carbón y con producción de
hidrógeno. Este proyecto está diseñado para
reducir en forma dramática la contaminación del
aire y para capturar y almacenar emisiones de
dióxido de carbono.
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
FutureGen: Integrando Partes del Programa de I&D
Celdas de
Combustible
Confinamiento
de Carbono
FutureGen
Gasificación con
Limpieza y Separación
Producción de H2
Turbinas
Optimizadas
Sistemas de
Integración
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
¿Qué es Confinamiento de Carbono?
El secuestro del carbono es la captura y
almacenamiento del dióxido de carbono y otros
gases de invernadero que de otro modo serían
emitidos a la atmósfera. Los gases de
invernadero se pueden capturar en el punto de
emisión, o pueden ser quitados del aire. Los
gases capturados se pueden almacenar en
depósitos subterráneos, disolver en océanos
profundos, convertir a materias sólidas muy
duras, o ser absorbidos por árboles, por
céspedes, por tierras, o por algas.
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Actividades en Confinamiento de Carbono
Objetivos Primarios son:
(1)Reducción de los costos y la “multa”
energética asociada con la capture de CO2 de
grandes fuentes y
(2) Mejorar el entendimiento de los factores que
afectan la permanencia, capacidad y seguridad
del almacenaje de CO2, en formaciones
geológicas y eco-sistemas terrestres.
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Los Combustibles Fósiles llevan al Futuro de Hidrógeno
Fossil Fuels
Carbon-based
Fuels
•Direct Production
•Reformable Fuels
H2 from
Renewable
Resources
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006
Maria Reidpath
Gerente de Proyectos Internacionales
Departamento de Energía de EE.UU.
Laboratorio Nacional de Tecnologías Energéticas
Tel: (304) 285-4140
Fax: (304) 285-1301
E-mail: [email protected]
Sitio web: www.netl.doe.gov
M. Reidpath,V LACGEC, May 17, 2006