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El biometano a partir de gasificación de biomasa lignocelulósica: Potencial y retos Seminario: El Biogas en Galicia

Dr. César Berrueco

Catalonia Institute for Energy Research

Santiago de Compostela, 20 Enero, 2016

IREC © 2012. Do not use without author permission

El biometano a partir de gasificación de biomasa lignocelulósica: Potencial y retos Santiago de Compostela, 20 Enero, 2016

1. Introducción: Grupo conversión termoquímica

BIOMASA PRODUCTOS

PLATAFORMA BIOQUÍMICA

PLATAFORMA TERMOQUÍMICA

Aceites y grasas

Maíz y cereal

Cultivos energéticos

Residuos agrícolas y

procesado de alimentación

Residuos forestales

Materia orgánica a partir de lodos

y RSU

CSR’s

Residuos industriales

(no peligrosos)

Residuos con alto contenido

plástico (no reciclable)

Het

erog

enei

dad,

faci

lidad

de

proc

esdo

y p

rese

ncia

de

cont

amin

ante

s

Cos

te y

dis

poni

bilid

ad

Pretratamiento Sacarificación

Separación

Transesterificación

Fermentación

Glucosa

Azucares – C5

Lignina

Digestión Anaerobia

Gasificación

Pirólisis Licuefación

Upgrading Refino

Gas de síntesis

Transformaciones químicas y

bioquímicas

Transformación química

Motores Turbinas

Pilas de combustible

Síntesis catalítica y procesado

Bio-diésel

Etanol

Productos de química fina

Gas natural sintético

Electricidad/Calor

Alcoholes y éteres

Diésel y gasolina

BIOREFINERÍA



• ¿Qué es el BioSNG? – Esencialmente metano (94-98 %) generado a partir de la metanación de gas de

síntesis obtenido mediante gasificación de biomasa

• Motivaciones para la producción de BioSNG – Puede mezclarse con gas natural/usarse como gas natural

– Puede transportarse/almacenarse junto al gas natural

– Balance CO2: Nivel de emisiones equivalentes de CO2 reducido.

1. Introducción: BioSNG

g CO

2 eq

/ km

Infraestructura existente



1. Introducción: Gasificación

• La gasificación es un proceso de conversión termoquímica en el que el combustible sólido se transforma principalmente en gases combustibles (condiciones subestequiométricas)

Pirólisis

Biomasa

Gasificación

Gases permanentes

tars

char

ceniza

tars

Calor O2 (aire) H2O (vapor)

Catalizador

La gasificación abre la puerta a: – Producción combinada de

electricidad y calor a partir de biomasa (producer gas).

– Generación de biocombustibles de segunda generación.

– Producción de “green chemicals”

Calor



1. Introducción: Producción de Biometano/BioSNG

Degradación de la materia orgánica mediante

microorganismos en ausencia de aire

Proceso de conversión termoquímica en el que el

combustible sólido se transforma principalmente en gases

combustibles (condiciones subestequiométricas)


T (15-55 ºC)

Biomasa húmeda Preferiblemente sin lignina,

residuos orgánicos, estiércol, residuos agrícolas, lodos

Limpieza de gas

UPGRADING

η ∼ 15 – 60 % CH4, CO2,

trazas de H2S

Biomasa Seca Biomasa lignocelulósica,

madera, paja, etc.

Limpieza de gas

Metanación

η > 65 % H2, CO, CO2, CH4, ...

2G 1G

Eliminación de H2S, partículas, agua, etc.

Eliminación de CO2 y presurización para

inyección a red

Conversión catalítica del syngas a metano

Eliminación de partículas, tar, y otros compuestos traza

CO + 3H2 → CH4 + H2O

Gasificación T (700 - 1500 ºC)










T (15-55 ºC)



Limpieza de gas

UPGRADING

η ∼ 15 – 60 % CH4, CO2,

trazas de H2S


madera, paja, etc.

Limpieza de gas

Metanación

η > 65 % H2, CO, CO2, CH4, .,.

2G 1G

Gasificación T (700 - 1500 ºC)

1 MW

102

10 MW

103

100 MW

104 105

1 GW 10 GW

106

100 GW

107 Nm3/h

Digestión anaerobia (Biogas) Gasificación

Campo de GN (pequeño)

Shell GtL Pearl (Qatar)

Drift, A. van. Impact of Large-Scale SNG-Production. ECN-M--14-060 November 2014.










T (15-55 ºC)



Limpieza de gas

UPGRADING

η ∼ 15 – 60 % CH4, CO2,

trazas de H2S


madera, paja, etc.

Limpieza de gas

Metanación

η > 65 % H2, CO, CO2, CH4, .,.

2G 1G

Eliminación de H2S, partículas, agua, etc.

Gasificación T (700 - 1500 ºC) 2G

1G

60 PJ

300 PJ

Biometano

2005 2010 2015 2020 2025 2030048

1216202428

% G

N S

ustit

uido

Boerrigter, H.; Zwart, R.W.R.; Deurwaarder, E.P.; Meijden, C.M. van der; Paasen, S.V.B. van: Production of Synthetic Natural Gas (SNG) from biomass. ECN-E--06-018 August 2006.



2. Proceso y tecnología

BioSNG

Gasificación

BIO

MAS

A

CO2, S, Cl, alquitranes partículas, cenizas, etc.

Cenizas

Aire/O2 Vapor H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O,

(tars, C2H4, H2S, NH3) H2, CO, CO2, CH4,

N2, H2O, (C2H4, H2S) CH4, (N2,

CO2, H2, CO)

Síntesis catalítica de BioSNG

CO2 H2O

Inyección BioSNG

a red

Pretratamiento y alimentación

Limpieza y acondicionado

del syngas

Acondicionamiento de BioSNG

CO + 3H2 → CH4 + H2O

Eficiencia de biomasa a BioSNG > 65% Posibilidad acoplamiento CCS o P2G



• Requerimientos de tamaño y humedad – Presencia de finos provoca pérdida de conversión y reducción de eficiencia. – Nivel de humedad (dependiendo del tipo de gasificador) ∼ 15 % → Proceso secado

previo. – Relacionado con el coste de la biomasa → selección de diferentes biomasas

• Composición de las cenizas → fusión y formación de depósitos – Cenizas de biomasa difieren de otros combustibles (p.e. carbón). – Lechos fluidizados: posibles interacciones ceniza y material de lecho (↓ punto fusión):

• Aglomeración de lecho • Pérdida parcial/total de fluidización.

– Posible presencia de álcalis (K) → ensuciamiento aguas abajo reactor

Posibles actuaciones – Uso de aditivos en lecho – Mezclas de biomasa como alimentación

2. Proceso y tecnología: Retos biomasa




BioSNG

Gasificación

BIO

MAS

A


Cenizas



N2, H2O, (C2H4, H2S) CH4, (N2,

CO2, H2, CO)


CO2 H2O

Inyección BioSNG

a red



del syngas




• Selección de tecnología: Escala y requerimientos del proceso

2. Proceso y tecnología: Gasificación

Lecho móvil Lecho fluidizado Flujo arrastrado

Gas descendente

Gas ascendente Burbujeante Circulante Doble lecho

• Gasificación con mezcla vapor/O2 (Presión o atm) − Necesaria separación de O2 − Operación más sencilla − Operando a presión se reduce tamaño de equipos de limpieza de gas

• Proceso en dos etapas: gasificación con vapor y combustión con aire − Etapa combustión con aire − Operación más compleja, difícil escalado




BioSNG

Gasificación

BIO

MAS

A


Cenizas



N2, H2O, (C2H4, H2S) CH4, (N2,

CO2, H2, CO)


CO2 H2O

Inyección BioSNG

a red



del syngas




Contaminante Concentraciones

típicas en Gas de síntesis

Motor combustión

interna

Síntesis catalítica

Alquitranes 10000-15000 mg/Nm3 < 55 mg/Nm3 5 mg/Nm3

Partículas 10000 mg/Nm3 < 50 mg/Nm3 10 mg/Nm3

Metales alcalinos (Na+K) 1600 mg/Nm3 - 1 mg/Nm3

NH3 (+HCN) 3000 ppmv < 55 mg/Nm3 (N total)

100 ppmv (N total)

Azufre (H2S, COS, CS2) 100 ppmv < 1150 mg/Nm3 (S total)

0.2 ppmv (S total)

Halógenos (HCl, HF, HBr)

25000 ppbv < 100 mg/Nm3

(halógenos total)

<25 ppbv (halógenos

total) Metales pesados < 300 mg/Nm3 - <1 mg/Nm3

– Niveles de exigencia de limpieza de gas elevados

– Necesaria limpieza en varias etapas

– Nivel de limpieza de gas a la salida del gasificador no “determinante”

− Puntos clave de limpieza: • Carbón puede desactivar catalizador:

• Hidrocarburos ligeros, BTX y tar • Partículas/Compuestos nitrógenados y clorados/ Azufre

2. Proceso y tecnología: Limpieza del gas de síntesis

E4tech (2009) “Review of technologies for gasification of biomass and wastes” NNFCC project 09/008. Zwart R.W.R., Gas Cleaning downstream biomass gasification. Status Report. ECN-E--08-078 June 2009. Boissonnet G. et al., En: Pyrolysis and Gasification of Biomass and Waste (Ed. A.V. Bridgwater), pp. 385-394, 2003.



• El problema del tar: – ¿Qué es el tar? – Problemas asociados: Formación depósitos y ensuciamiento de equipos (T< 400 ºC)

Contaminación agua de lavado Desactivación de catalizadores

– La eliminación del tar presente en el syngas es el principal problema en los procesos de gasificación de biomasa. En concreto en procesos de síntesis catalítica exigencia es muy elevada (posible envenenamiento de los catalizadores)


Posibles actuaciones – Métodos físicos (scrubbers, adsorción,

precipitadores electrostáticos) – Métodos de scrubber multietapa (Rectisol/OLGA) – Métodos de craqueo térmico. – Craqueo catalítico (in situ en el gasificador o

proceso de reformado posterior) – Combinación de las anteriores



• Partículas – Problema complejo, amplia distribución de dP

– Reto: Eliminacion efectiva y estable a alta temperatura (mejora de eficiencia)

Posibles actuaciones – Habitualmente combinación de ciclones con

filtros de candelas (permiten operar a temperaturas relativamente elevadas 500 ºC, para evitar ineficiencias en el proceso).

ceniza char no reaccionado finos del material de lecho

• Compuestos nitrogenados (NH3) y halógenos (HCl) – Investigación en procesos catalíticos de eleminación, habitualmente mediante un

lavado doble en medio acuoso a diferente pH

• Compuestos de azufre (H2S /COS) – Varias opciones de eliminación, hidrogenación + lecho de ZnO (alcanzar ppm)





BioSNG

Gasificación

BIO

MAS

A


Cenizas



N2, H2O, (C2H4, H2S) CH4, (N2,

CO2, H2, CO)


CO2 H2O

Inyección BioSNG

a red



del syngas




− H2: 38-50 % vol − CO: 22-25 % vol − CO2: 20-23 % vol − CH4: 9-12 % vol

• Gas tras etapa de limpieza:

CO + 3H2 CH4 + H2O

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

2. Proceso y tecnología: Metanación Ajuste ratio H2/CO ~3

• Reacción exotérmica limitada por el equilibrio

Integración de calor

• Catalizadores típicos: Ni o Ru (baja temperatura) Rango de Temperaturas

T < 550 ºC (sin eliminación de CO2) T: 250-700 ºC (eliminación previa CO2) Reactores de afinado (T: 170-250 ºC)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100200

400

600

800

1000

Tem

pera

tura

(ºC

)

% CH4



• Principales opciones tecnológicas: − Reactores de lecho fijo

− Reactores de lecho fluidizado

− Reactores modulares (↓ capacidad)

2. Proceso y tecnología: Metanación

• En los distintos casos la integración energética es importante y puede ser clave en el aumento de costes de inversión

• Incluye reacciones de reformado de HCs (presencia de vapor disminuye deposición de coque)

• Tecnología probada a escala comercial con gas de síntesis de carbón




BioSNG

Gasificación

BIO

MAS

A


Cenizas



N2, H2O, (C2H4, H2S) CH4, (N2,

CO2, H2, CO)


CO2 H2O

Inyección BioSNG

a red



del syngas




• Separación CO2 previa a metanación: + Reactor de metanación de menor tamaño (al reducir el flujo de

gas a tratar) - Necesario incluir un reactor previo a la separación del CO2

para ajustar la relación H2/CO - Además el control de temperatura puede ser más difícil (el CO2

ayuda a disipar calor y evita sobrecalentamiento)

• Separación CO2 tras metanación: + Operación en un solo reactor (si el catalizador presenta

actividad dual: ajuste H2/CO y metanación) - Pero el tamaño del reactor es mayor + Del mismo modo la presencia de CO2 facilita el control de

temperatura

• Se considera una etapa estándar • En este tipo de procesos se prefieren tecnologías que requieran

consumo de calor (calor residual de proceso) al contrario que en acondicionamiento de biogás

2. Proceso y tecnología: Upgrading



• Biomasa – Flexibilidad (reducción de coste) – Pretratamientos para mejorar propiedades y eficiencia

• Gasificación – Mejora de la calidad del syngas – Demostración tecnología a mayor escala/Reducción de coste

• Limpieza de syngas – Combinación de sistemas existentes – Mejora de sistemas de filtrado a alta temperatura – Desarrollo de limpieza catalítica a menor temperatura

• Síntesis catalítica – Desarrollo de catalizadores “resistentes” a contaminantes – Conversiones adecuadas a bajos ratios H2/CO

• Integración de ambos procesos – Requerimientos del gas de síntesis – Horas de operación anuales – Integración energética

2. Proceso y tecnología: Principales retos



Problemas y retos

Biomasa

Gasificación

Síntesis catalítica

Limpieza de syngas

↑ calidad del syngas Escalado

Desarrollo de catalizadores Trabajar a menores ratios H2/CO

Proceso eficiente

Reducción de costes

Reducción de riesgo financiero

BioSNG a partir de gasificación de biomasa

2. Proceso y tecnología: Principales retos

Flexibilidad Pretratamiento

Mejora de sistemas de filtrado

Desarrollo de limpieza catalítica



3. Proyectos de BioSNG en Europa

Proyecto

Tecnología

Estado de desarrollo de la

tecnología Localización Tamaño

Puesta en

marcha Gasificación Metanación

Bio SNG REPOTEC CTU Planta piloto Güssing (Austria) 1 MWBioSNG 2008

Gazobois REPOTEC CTU Escala comercial Eclépens (Suiza) 21.5 MWBioSNG 2012

GoBiGas REPOTEC/ Metso

Haldor-Topsøe

Planta comercial (fase 1) Gothenburg (Suecia) 20 MWBioSNG 2013-14

Planta comercial (fase 2) Gothenburg (Suecia) 80 MWBioSNG 2015/16

Bio2G (E.ON) CARBONA Haldor-

Topsøe Escala comercial Landskrona

(Suecia) 200 MWBioSNG 2016

Escala comercial Landskrona (Suecia) 300 MWBioSNG 2018

ECN ECN Demostración CHP Alkmaar (Holanda) 10 MWth biomasa 2014

Planta de demostración Desconocida 50 MWth biomasa 2018

GAYA (GdF Suez) REPOTEC CTU Demostración Lyon (Francia) 500 kWth biomasa 2013



4. Evaluación económica: Costes de inversión

4-10 %

32-36 %

12-14 %

20-26 %

14-16 %4-8 %

Pretratamiento de biomasa

Gasif icador

Limpieza de syngas

Reactor de metanación

Costes indirectos

Servicios

E4tech (2010) “The potential of bioSNG production in the UK” NNFCC project 10/008. CNG Services ltd (2010) – Bio-SNG: Feasibility Study. Establishment of a Regional Project. Gassner M., Maréchal F., Biomass and Bioenergy, 33 Issue 11 (2009) 1587-1604. Worley, W., Yale, J., Biomass Gasification Technology Assessment. NREL Consolidated report (2012).

Costes de inversión

Parámetro Escala

Piloto/Demostración Industrial 1 Industrial 2

Potencia instalada (MWth) 50 150 300 Biomasa (tseca/año) 75000 225000 450000 Eficiencia térmica a BioSNG (%) ~65 ~65 ~65 Bio SNG producido ⋅ Bio SNG (MWth) 32 97 195 ⋅ Bio SNG (GJ/h) 117 350 702 ⋅ Bio SNG (Nm3/h) 3330 9950 20000 Costes de inversión (total) M€ 75 144 260 ⋅ M€/MWth biomasa 1.5 0.96 0.87 ⋅ M€/MWth BioSNG 2.3 1.5 1.3



4. Evaluación económica: Disponibilidad de biomasa (Galicia)

Parámetro Escala

Piloto/Demostración Industrial 1 Industrial 2

Potencia instalada (MWth) 50 150 300 Biomasa (tseca/año) 75000 225000 450000 Eficiencia térmica a BioSNG (%) ~65 ~65 ~65 Bio SNG producido ⋅ Bio SNG (MWth) 32 97 195 ⋅ Bio SNG (GJ/h) 117 350 702 ⋅ Bio SNG (Nm3/h) 3330 9950 20000 Costes de inversión (total) M€ 75 144 260 ⋅ M€/MWth biomasa 1.5 0.96 0.87 ⋅ M€/MWth BioSNG 2.3 1.5 1.3

Tipo de biomasa Producción potencial (kt/año)

Coste estimado (€/t)

Res. explotación maderera - forestal 1307.07 30.75

Explotación árbol completo 3427.87 43.99

Cultivo leñoso terreno forestal 7931.61 35.97

Residuos agrícolas 1543.78 17.58

Cultivo herbáceo en terreno agrícola 8.17 48.10

Cultivo leñoso en terreno agrícola 149.13 37.37

Total 14367.63

IDAE: Evaluación del potencial de energía de la biomasa. Estudio técnico PER 2011-2020 (2011)

Aprox. conservadora: 5 Mt/año biomasa



4. Evaluación económica: Coste de producción

X 2-2.5

E4tech (2010) “The potential of bioSNG production in the UK” NNFCC project 10/008. Rabou, L.P.L.M., Biomass gasification and upgrading to biomethane. EDGaR-DVGW Joint Conference, The Netherlands, 2013. Zwart, R., Synthetic Natural Gas (SNG): Large-scale introduction of green natural gas in existing grids. ECN, 2007.



5. Potencial del BioSNG

• Gas Natural – Coste de aprovisionamiento: 26,4 €/MWh1

• Gasolina: 574 $/T (España CIF 70% MED/30% NEW Dic 2014)2: 55 €/MWh

• Diesel: 858 $/T (España CIF 70% MED/30% NEW Sep 2015)2: 69 €/MWh

• Bioetanol: 713 $/T (FOB ROTTERDAM Dic 2014)2: 85 €/MWh

• Biodiesel: 945 $/T (FOB Bargues Argus Sep 2014)2: 83 €/MWh

1 Boletín Estadístico Hidrocarburos CORES Dic-14 2 Estadística de Biocarburantes de la CNMC Cotizaciones internacionales. Marzo 2015 E4tech (2010) “The potential of bioSNG production in the UK” NNFCC project 10/008. SmaRTGas project webpage: http://smartgas.se/

• Bio SNG:

• Reducción de emisiones • CO2eq emitido mucho menor

∼ 40-65 €/MWh

∼ 60-120 €/MWh

Instalaciones > 50 MWt

Instalaciones < 5 MWt



6. Conclusiones y aspectos a remarcar • La gasificación de biomasa presenta un gran potencial en la generación

de gas natural sintético a partir de biomasa (actualmente los costes son todavía muy elevados)

• Gasificación/síntesis catalítica: tecnologías maduras aunque su acoplamiento presenta algunos retos:

– Calidad de la biomasa – Exigencia limpieza del syngas – Mejora de la eficiencia del proceso

• Afortunadamente la mayor parte de estos retos tienen (o están en desarrollo) soluciones técnicas viables

• Principales retos de la producción de biometano a partir de biomasa lignocelulósica no son técnicos:

– Reducción de costes (economía de escala o mejora de eficiencia) – Asegurar el suministro de biomasa (cantidad y calidad) a un precio estable – Reducción de riesgo financiero: incentivos y/o reducción de escala con eficiencia aceptable

Acondicionamiento de gas más eficiente y barato Integración energética



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Contacto: César Berrueco [email protected]

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