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

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1 Seminario: El Biogas en Galicia Dr. César Berrueco Catalonia Institute for Energy Research

2 1. Introducción: Grupo conversión termoquímica BIOMASA BIOREFINERÍA PRODUCTOS Aceites y grasas Transesterificación Bio-diésel Heterogeneidad, facilidad de procesdo y presencia de contaminantes Coste y disponibilidad 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) PLATAFORMA BIOQUÍMICA Pretratamiento Sacarificación Separación Gasificación Pirólisis Licuefación Fermentación Glucosa Azucares C 5 Lignina Digestión Anaerobia PLATAFORMA TERMOQUÍMICA Gas de síntesis Upgrading Refino Transformaciones químicas y bioquímicas Transformación química Motores Turbinas Pilas de combustible Síntesis catalítica y procesado Etanol Productos de química fina Gas natural sintético Electricidad/Calor Alcoholes y éteres Diésel y gasolina

3 1. Introducción: BioSNG 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 Infraestructura existente Balance CO 2 : Nivel de emisiones equivalentes de CO 2 reducido. g CO 2 eq / km

4 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) Calor Pirólisis Biomasa Gasificación char Gases permanentes tars ceniza tars 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 O 2 (aire) H 2 O (vapor) Catalizador

5 1. Introducción: Producción de Biometano/BioSNG 1G Biomasa húmeda Preferiblemente sin lignina, residuos orgánicos, estiércol, residuos agrícolas, lodos Biomasa Seca Biomasa lignocelulósica, madera, paja, etc. 2G Degradación de la materia orgánica mediante microorganismos en ausencia de aire Digestión Anaerobia T (15-55 ºC) Gasificación T ( ºC) Proceso de conversión termoquímica en el que el combustible sólido se transforma principalmente en gases combustibles (condiciones subestequiométricas) η % CH 4, CO 2, trazas de H 2 S H 2, CO, CO 2, CH 4,... η > 65 % Eliminación de H 2 S, partículas, agua, etc. Limpieza de gas Limpieza de gas Eliminación de partículas, tar, y otros compuestos traza Eliminación de CO 2 y presurización para inyección a red UPGRADING Metanación Conversión catalítica del syngas a metano CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O

6 1. Introducción: Producción de Biometano/BioSNG 1G Biomasa húmeda Preferiblemente sin lignina, residuos orgánicos, estiércol, residuos agrícolas, lodos Biomasa Seca Biomasa lignocelulósica, madera, paja, etc. 2G Degradación de la materia orgánica mediante microorganismos en ausencia de aire 1 MW η % CH 4, CO 2, 10trazas 2 de H 2 S Digestión Anaerobia T (15-55 ºC) 10 MW MW Gasificación T ( ºC) 1 GW 10 GW 10 6 Proceso de conversión termoquímica en el que el combustible sólido se transforma principalmente en gases combustibles (condiciones subestequiométricas) 100 GW η > 65 % H 2, CO, CO 2, CH10 4, 7.,. Nm 3 /h Digestión anaerobia (Biogas) Limpieza de gas Gasificación UPGRADING Campo de GN (pequeño) Limpieza de gas Metanación Shell GtL Pearl (Qatar) Drift, A. van. Impact of Large-Scale SNG-Production. ECN-M November 2014.

7 1. Introducción: Producción de Biometano/BioSNG 1G Biomasa húmeda Preferiblemente sin lignina, residuos orgánicos, estiércol, residuos agrícolas, lodos Biomasa Seca Biomasa lignocelulósica, madera, paja, etc. 2G Degradación de la materia orgánica mediante microorganismos en ausencia de aire η % 24 CH 4, CO 2, trazas 20 de H 2 S % GN Sustituido Eliminación de H 2 S, partículas, agua, etc Digestión Anaerobia T (15-55 ºC) 1G Limpieza de gas Biometano UPGRADING 60 PJ Gasificación T ( ºC) 2G Limpieza de gas Metanación Proceso de conversión termoquímica en el que el combustible sólido se transforma principalmente en gases combustibles (condiciones subestequiométricas) η > 65 % H 2, CO, 300 PJ CO 2, CH 4,., 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 August 2006.

8 2. Proceso y tecnología Vapor H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, Aire/O 2 (tars, C 2 H 4, H 2 S, NH 3 ) H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, (C 2 H 4, H 2 S) CH 4, (N 2, CO 2, H 2, CO) BIOMASA Pretratamiento y alimentación Gasificación Cenizas Limpieza y acondicionado del syngas Síntesis catalítica de BioSNG CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O Acondicionamiento de BioSNG Eficiencia CO 2, S, Cl, alquitranes de biomasa a BioSNG > 65% H 2 O CO 2 partículas, cenizas, etc. Posibilidad acoplamiento CCS o P2G Inyección BioSNG a red BioSNG

9 2. Proceso y tecnología: Retos biomasa 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

10 2. Proceso y tecnología Vapor H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, Aire/O 2 (tars, C 2 H 4, H 2 S, NH 3 ) H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, (C 2 H 4, H 2 S) CH 4, (N 2, CO 2, H 2, CO) BIOMASA Pretratamiento y alimentación Gasificación Limpieza y acondicionado del syngas Síntesis catalítica de BioSNG Acondicionamiento de BioSNG Inyección BioSNG a red Cenizas CO 2, S, Cl, alquitranes partículas, cenizas, etc. H 2 O CO 2 BioSNG

11 2. Proceso y tecnología: Gasificación Selección de tecnología: Escala y requerimientos del proceso Gas descendente Lecho móvil Gas ascendente Lecho fluidizado Burbujeante Circulante Doble lecho Flujo arrastrado Gasificación con mezcla vapor/o 2 (Presión o atm) Necesaria separación de O 2 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

12 2. Proceso y tecnología Vapor H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, Aire/O 2 (tars, C 2 H 4, H 2 S, NH 3 ) H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, (C 2 H 4, H 2 S) CH 4, (N 2, CO 2, H 2, CO) BIOMASA Pretratamiento y alimentación Gasificación Limpieza y acondicionado del syngas Síntesis catalítica de BioSNG Acondicionamiento de BioSNG Inyección BioSNG a red Cenizas CO 2, S, Cl, alquitranes partículas, cenizas, etc. H 2 O CO 2 BioSNG

13 2. Proceso y tecnología: Limpieza del gas de síntesis Contaminante Concentraciones típicas en Gas de síntesis Motor combustión interna Síntesis catalítica Alquitranes mg/nm 3 < 55 mg/nm 3 5 mg/nm 3 Partículas mg/nm 3 < 50 mg/nm 3 10 mg/nm 3 Metales alcalinos (Na+K) 1600 mg/nm 3-1 mg/nm 3 NH 3 (+HCN) Azufre (H 2 S, COS, CS 2 ) Halógenos (HCl, HF, HBr) 3000 ppmv 100 ppmv ppbv < 55 mg/nm 3 (N total) < 1150 mg/nm 3 (S total) < 100 mg/nm 3 (halógenos total) 100 ppmv (N total) 0.2 ppmv (S total) <25 ppbv (halógenos total) Metales pesados < 300 mg/nm 3 - <1 mg/nm 3 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 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 June Boissonnet G. et al., En: Pyrolysis and Gasification of Biomass and Waste (Ed. A.V. Bridgwater), pp , 2003.

14 2. Proceso y tecnología: Limpieza del gas de síntesis 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

15 2. Proceso y tecnología: Limpieza del gas de síntesis Partículas Problema complejo, amplia distribución de d P ceniza char no reaccionado finos del material de lecho 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). Compuestos nitrogenados (NH 3 ) y halógenos (HCl) Investigación en procesos catalíticos de eleminación, habitualmente mediante un lavado doble en medio acuoso a diferente ph Compuestos de azufre (H 2 S /COS) Varias opciones de eliminación, hidrogenación + lecho de ZnO (alcanzar ppm)

16 2. Proceso y tecnología Vapor H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, Aire/O 2 (tars, C 2 H 4, H 2 S, NH 3 ) H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, (C 2 H 4, H 2 S) CH 4, (N 2, CO 2, H 2, CO) BIOMASA Pretratamiento y alimentación Gasificación Limpieza y acondicionado del syngas Síntesis catalítica de BioSNG Acondicionamiento de BioSNG Inyección BioSNG a red Cenizas CO 2, S, Cl, alquitranes partículas, cenizas, etc. H 2 O CO 2 BioSNG

17 2. Proceso y tecnología: Metanación Gas tras etapa de limpieza: H2: % vol CO: % vol CO2: % vol CH4: 9-12 % vol Catalizadores típicos: Ni o Ru (baja temperatura) Ajuste ratio H2/CO ~3 Rango de Temperaturas T < 550 ºC (sin eliminación de CO 2 ) T: ºC (eliminación previa CO 2 ) Reactores de afinado (T: ºC) CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O 1000 Reacción exotérmica limitada por el equilibrio Temperatura (ºC) % CH 4 Integración de calor

18 2. Proceso y tecnología: Metanación Principales opciones tecnológicas: Reactores de lecho fijo Reactores de lecho fluidizado Reactores modulares ( capacidad) Incluye reacciones de reformado de HCs (presencia de vapor disminuye deposición de coque) Tecnología probada a escala comercial con gas de síntesis de carbón En los distintos casos la integración energética es importante y puede ser clave en el aumento de costes de inversión

19 2. Proceso y tecnología Vapor H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, Aire/O 2 (tars, C 2 H 4, H 2 S, NH 3 ) H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2 O, (C 2 H 4, H 2 S) CH 4, (N 2, CO 2, H 2, CO) BIOMASA Pretratamiento y alimentación Gasificación Limpieza y acondicionado del syngas Síntesis catalítica de BioSNG Acondicionamiento de BioSNG Inyección BioSNG a red Cenizas CO 2, S, Cl, alquitranes partículas, cenizas, etc. H 2 O CO 2 BioSNG

20 2. Proceso y tecnología: Upgrading Separación CO 2 tras metanación: + Operación en un solo reactor (si el catalizador presenta actividad dual: ajuste H 2 /CO y metanación) - Pero el tamaño del reactor es mayor + Del mismo modo la presencia de CO 2 facilita el control de temperatura Separación CO 2 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 CO 2 para ajustar la relación H 2 /CO - Además el control de temperatura puede ser más difícil (el CO 2 ayuda a disipar calor y evita sobrecalentamiento) 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

21 2. Proceso y tecnología: Principales retos 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 H 2 /CO Integración de ambos procesos Requerimientos del gas de síntesis Horas de operación anuales Integración energética

22 2. Proceso y tecnología: Principales retos Flexibilidad Pretratamiento Biomasa BioSNG a partir de gasificación de biomasa Limpieza de syngas Mejora de sistemas de filtrado Desarrollo de limpieza catalítica Problemas y retos Síntesis catalítica Gasificación calidad del syngas Escalado Proceso eficiente Reducción de costes Reducción de riesgo financiero Desarrollo de catalizadores Trabajar a menores ratios H 2 /CO

23 3. Proyectos de BioSNG en Europa Proyecto Tecnología Gasificación Metanación Estado de desarrollo de la tecnología Localización Tamaño Puesta en marcha Bio SNG REPOTEC CTU Planta piloto Güssing (Austria) 1 MW BioSNG 2008 Gazobois REPOTEC CTU Escala comercial Eclépens (Suiza) 21.5 MW BioSNG 2012 GoBiGas Bio2G (E.ON) ECN GAYA (GdF Suez) REPOTEC/ Metso CARBONA ECN Haldor- Topsøe Haldor- Topsøe Planta comercial (fase 1) Planta comercial (fase 2) Escala comercial Escala comercial Gothenburg (Suecia) Gothenburg (Suecia) Landskrona (Suecia) Landskrona (Suecia) 20 MW BioSNG MW BioSNG 2015/ MW BioSNG MW BioSNG 2018 Demostración CHP Alkmaar (Holanda) 10 MW th biomasa 2014 Planta de demostración Desconocida 50 MW th biomasa 2018 REPOTEC CTU Demostración Lyon (Francia) 500 kw th biomasa 2013

24 4. Evaluación económica: Costes de inversión Parámetro Escala Piloto/Demostración Industrial 1 Industrial 2 Potencia instalada (MW th ) Biomasa (t seca /año) Eficiencia térmica a BioSNG (%) ~65 ~65 ~65 Bio SNG producido Bio SNG (MW th ) Bio SNG (GJ/h) Bio SNG (Nm 3 /h) Costes de inversión (total) M M /MWth biomasa M /MWth BioSNG % % 4-8 % 4-10 % % % Costes de inversión 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) Worley, W., Yale, J., Biomass Gasification Technology Assessment. NREL Consolidated report (2012).

25 4. Evaluación económica: Disponibilidad de biomasa (Galicia) Parámetro Escala Piloto/Demostración Industrial 1 Industrial 2 Potencia instalada (MW th ) Biomasa (t seca /año) Eficiencia térmica a BioSNG (%) ~65 ~65 ~65 Bio SNG producido Bio SNG (MW th ) Tipo de biomasa Producción potencial (kt/año) Coste estimado ( /t) Bio SNG (GJ/h) Bio SNG (Nm 3 /h) Costes Res. de inversión explotación (total) maderera M - forestal M /MWth biomasa Explotación árbol completo M /MWth BioSNG Cultivo leñoso terreno forestal Residuos agrícolas Cultivo herbáceo en terreno agrícola Cultivo leñoso en terreno agrícola Total Aprox. conservadora: 5 Mt/año biomasa IDAE: Evaluación del potencial de energía de la biomasa. Estudio técnico PER (2011)

26 4. Evaluación económica: Coste de producción X 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, Zwart, R., Synthetic Natural Gas (SNG): Large-scale introduction of green natural gas in existing grids. ECN, 2007.

27 5. Potencial del BioSNG Gas Natural Coste de aprovisionamiento: 26,4 /MWh 1 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 /MWh Bio SNG: /MWh Reducción de emisiones CO 2eq emitido mucho menor Instalaciones > 50 MW t Instalaciones < 5 MW t 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:

28 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 Acondicionamiento de gas más eficiente y barato Integración energética 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

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