Ciclo combinado de gasificación integrada: centrales térmicas de carbón más ecológicas para el suministro energético...

AutorAntonio Soria y Peter Russ
CargoIPTS

Asunto :En Puertollano (España), está a punto de entrar en funcionamiento la que es en la actualidad la mayor central de ciclo combinado de gasificación integrada (CCGI) del mundo. Dicha central es solamente uno de los diversos proyectos en curso en los EE.UU., Europa y Japón.

Relevancia :Para que las centrales térmicas contribuyan al suministro de electricidad en el futuro deben cumplir no solamente con las exigencias económicas sino también con las relativas al medio ambiente. Las centrales térmicas de carbón existentes presentan desventajas significativas en comparación con sus competidoras. Los nuevos desarrollos en la tecnología del carbón tales como las centrales de CCGI ofrecen una oportunidad para continuar con el uso del carbón en la producción de energía eléctrica, con menor perjuicio para el medio ambiente. El valor estratégico de estas tecnologías puede ser especialmente relevante con vistas a posibles planes de ejecución conjunta con países en vías de desarrollo para conseguir la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero.

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Introducción

Tradicionalmente, el carbón se usaba en casi todos los sectores, como el consumo doméstico, la industria y la producción de energía eléctrica. La electrificación progresiva de la sociedad restringió su potencial dentro del sector de consumo doméstico pero le confirió un peso específico significativo en el sector de las centrales térmicas de carbón. Sin embargo, en los últimos años ha crecido la preocupación por los problemas medioambientales, lo que provoca presiones para restringir el uso del carbón. El carbón presenta serias desventajas que tienden a penalizar a priori su uso como fuente primaria de energía. En primer lugar, es más difícil quemar carbón que quemar petróleo o gas natural, ya que la manipulación y el almacenamiento de un combustible sólido ofrecen dificultades. Además, la combustión también produce residuos sólidos que es preciso retirar y tratar. La combustión del carbón produce con frecuencia compuestos químicos, como óxidos de azufre y de nitrógeno, que provocan notables daños en el medio ambiente a través de la acidificación de la lluvia. Por último, y no menos importante, es bien conocido que el carbón constituye el combustible fósil más intensivo en carbono: la combustión del carbón produce aproximadamente 100 TmCO2 /TJ mientras que la combustión del gas natural produce 54 TmCO2 /TJ.

A pesar de estas desventajas, el carbón seguirá utilizándose en el futuro porque es relativamente barato y de amplia disponibilidad. Las reservas mundiales de carbón registradas en la actualidad pueden superar las 1.200 x 109 TmEC (toneladas equivalentes de carbón), pero si se consideran los recursos conocidos que puedan explotarse en el futuro la estimación asciende a 5.000 x 109 TmEC, es decir, el quíntuple de las reservas registradas actualmente, en términos de contenido de energía. El nivel de reservas comprobado garantiza el nivel de consumo actual durante más de dos siglos.

Los nuevos desarrollos en tecnología del carbón ofrecen la posibilidad de continuar utilizando el carbón para la producción de energía eléctrica de un modo menos perjudicial para el medio ambiente, superando sus inconvenientes actuales. Una de las opciones más importantes es la utilización de centrales térmicas de ciclo combinado de gasificación integrada (CCGI). La idea de la gasificación del carbón no es nueva, pero sí es relativamente nuevo el diseño de una central combinada donde se obtiene, a partir del carbón, un sustituto del gas natural, que se quema después en un esquema de ciclo combinado, produciendo electricidad. Remontando a la central pionera alemana de Lünen (1969) se ha comprobado que el CCGI constituye una buena solución tecnológica para producir energía eléctrica a partir del carbón, con alto rendimiento y escasas emisiones contaminantes. El alto coste asociado a este esquema de conversión congeló su desarrollo hasta que las preocupaciones ecológicas y, en especial, las presiones para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de las centrales térmicas reavivaron el interés por esta tecnología.

Centrales térmicas de ciclo combinado de gasificación integrada (CCGI) del carbón

La figura inferior muestra el diagrama de flujo de una central térmica de CCGI. El carbón (o posiblemente una mezcla combustible) se gasifica a presión en el gasificador. El gas combustible generado se purifica y se lleva a la turbina de gas que acciona el primer alternador. Los gases de combustión calientes de la turbina de gas se utilizan para producir el vapor en un generador de vapor. El vapor impulsa la turbina que produce el 30-40% restante de la potencia eléctrica total.

Figura 1: Diagrama de flujo de una central térmica de CCGI

La tecnología de CCGI

Esta tecnología aprovecha las ventajas de rendimiento termodinámico que ofrece la combinación de dos ciclos, uno de turbina de gas y otro de turbina de vapor (Ver Figura 1). Para aplicar este esquema, actualmente de uso muy extendido en las centrales térmicas de gas natural, es preciso gasificar el carbón antes de la combustión en la turbina de gas. El beneficio para el medio ambiente que se deriva de este esquema se basa en que el gas producido puede purificarse antes de su combustión. En comparación con el tratamiento de los gases de combustión, ofrece la ventaja de que se tratará una cantidad mucho menor de gases y además, la composición de los gases del carbón es tal que permite una purificación más fácil. Además, puede gasificarse combustible de baja calidad y después de purificar el gas obtenido, éste se puede utilizar para la producción de electricidad. El proceso de purificación se puede ampliar y permite eliminar el dióxido de carbono de las emisiones. Así pues, esta tecnología se propone como base para centrales térmicas de carbón de baja emisión de CO2 , con captura de CO2 .

La combinación de turbinas de gas y de vapor en la misma central térmica, así como la gasificación del carbón, son tecnologías probadas. Sin embargo, la integración del gasificador en una central térmica plantea exigencias adicionales. Para que los gases del carbón se quemen eficientemente en la turbina de gas es necesario un valor calorífico mínimo. Se deben seleccionar los procesos adecuados de gasificación, y la integración y optimización de todos los procesos tienen una importancia fundamental para la eficiencia global.

La purificación de los gases del carbón constituye otra cuestión crítica.

Estado actual de la tecnología

Estamos asistiendo en la actualidad a una expansión de la tecnología de CCGI: unos 87 proyectos de CCGI se encuentran en fase de construcción, planificación o evaluación, y se espera que entre los años 1996 y 2000 estén en funcionamiento 10 centrales térmicas con una capacidad instalada que oscile entre 60 y 500 MW (ver Tabla 1). Las centrales construidas hasta ahora han pretendido demostrar la viabilidad de la tecnología y ensayar la utilización del gasificador y de las tecnologías de purificación. No representan sistemas totalmente optimizados e integrados. Después de una demostración satisfactoria, la tecnología podrá comercializarse. La central ELCOGAS de Puertollano es una "joint venture" de varias empresas eléctricas y fabricantes europeos y está construida a escala totalmente comercial (330 MW). La central, que gasificará una mezcla de coque y carbón local de baja calidad, operará con un rendimiento aproximado del 45%. Sin embargo, no incluirá los desarrollos tecnológicos más recientes. Se estima que un esquema optimizado, que aplique la tecnología más reciente, puede alcanzar probablemente un rendimiento de casi el 50%, que es considerablemente mayor que el de otras tecnologías del carbón en uso.

¿Están maduros los tiempos?

Si consideramos la expansión de las centrales térmicas de CCGI en el mundo (como se refiere en [Pruschek 1995]), la conclusión inmediata será que esta tecnología está experimentando un auge espectacular. Sin embargo, este fenómeno debe considerarse teniendo en cuenta dos factores. La primera cuestión básica es el destino del carbón como combustible fundamental para las centrales térmicas. Aquí entran en juego no sólo el coste de combustible y de capital, sino también otros aspectos relacionados con problemas medioambientales y estratégicos, como la necesidad de limitar las emisiones de CO2 en el futuro, el potencial del carbón para garantizar la seguridad del suministro, la situación política de los países proveedores de combustibles fósiles, etc. El segundo factor se relaciona con el papel que puede desempeñar el CCGI con respecto a otras tecnologías limpias del carbón (TLC) avanzadas, aparte del aspecto de la competencia entre combustibles.

Aunque la posición relativa del CCGI respecto a otras tecnologías limpias del carbón se puede considerar prometedora, parece que con la estructura actual de precios de los combustibles fósiles y los costes de la instalación tecnológica, el CCGI (y en general las TLC) está condenado a quedar fuera del mercado excepto para fines de demostración. El coste actual de la tecnología es muy alto (alrededor de 2.800$/kW instalado en el proyecto ELCOGAS).

No obstante, dado que esta central térmica es la primera de su clase, la inversión necesaria para las centrales de CCGI tendrá que disminuir. Sin embargo, es difícil predecir la dirección futura de los costes de capital. El mercado de la electricidad, cada vez más competitivo, está aumentando la presión para obtener una producción eléctrica cada vez más barata. Así, a menos que tengan lugar importantes mejoras en la estructura de costes de capital del CCGI, para que esta tecnología sea plenamente competitiva se requiere previamente que se produzcan aumentos significativos en los precios del gas natural. También debe observarse que un incremento del precio medio de los combustibles fósiles podría dar lugar a que algunas de las recientes tecnologías de energías renovables (ER) alcancen el nivel de viabilidad económica, con menos problemas medioambientales y menor coste de combustibles y de funcionamiento. Esto no significa necesariamente que el CCGI pueda entablar una competencia directa con las ER en estas circunstancias ya que la disponibilidad espacio-temporal de las ER será todavía, probablemente, el principal factor limitante para su uso en el futuro. Por ello, es más probable que tenga lugar un proceso de especialización, con centrales térmicas de carbón que suministren electricidad en horas-valle, dejando la parte de las horas-punta a las ER competitivas (si se dispone de ellas).

Conclusión

Las condiciones necesarias para un despegue definitivo de la tecnología de CCGI se relacionan principalmente con la capacidad de los competidores dentro de la industria limpia del carbón, pero también con el precio de otros combustibles fósiles (en particular, el gas natural) y con el efecto de las tecnologías de ER. La trayectoria de la demanda de electricidad y sus costes medioambientales asociados constituyen los mecanismos fundamentales que pueden ayudar a comprender el panorama global. En un escenario de bajo crecimiento de la demanda de electricidad, sin "shocks" fuertes del precio del gas, el sistema eléctrico podrá evolucionar progresivamente, utilizando gas y manteniendo una participación importante del carbón, partiendo de la capacidad instalada en la actualidad y dando entrada eventualmente a las ER avanzadas competitivas. Si se considera un escenario de demanda eléctrica de rápido crecimiento, por ejemplo, el de los mercados de Asia, el panorama cambia por completo: las nuevas centrales deberán instalarse rápidamente y lo más probable es que sean de carbón. Deberán tenerse a punto las exigencias medioambientales para la adopción de tecnologías limpias del carbón así como la tecnología que cumpla con estas exigencias. Desde este punto de vista, el problema del precio de la tecnología puede parecer diferente.

El incremento del coste al mejorar las centrales térmicas estándar de carbón deberá compararse con el coste de las medidas alternativas de eliminación de CO2 que habrán de adoptarse en los países de la OCDE, con vistas a un posible esquema conjunto de ejecución. A este respecto debe señalarse que incluso si los costes variables y/o de capital del CCGI lo hicieran muy caro para los patrones de demanda de la OCDE, la adquisición de control sobre esta tecnología podría valer la pena con vistas a reducir las emisiones de CO2 en los países en vías de desarrollo. Ciertamente, el valor estratégico del control de estas tecnologías reside, al menos a corto plazo, en la posibilidad de conseguir una reducción económicamente eficiente de la emisión de gases de efecto invernadero en los países que experimentan un aumento rápido de la demanda de electricidad. Esta reducción de emisiones se podría lograr a través de la colaboración tecnológica internacional y de acuerdos internacionales de ejecución conjunta.

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