Los tipos de pilas de combustible de baja temperatura, como las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones , las pilas de combustible de ácido fosfórico y las pilas de combustible alcalinas , requieren hidrógeno puro como combustible, normalmente producido a partir del reformado externo de gas natural . Sin embargo, las pilas de combustible que funcionan a altas temperaturas, como las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), no se contaminan con monóxido de carbono ni dióxido de carbono y, de hecho, pueden aceptar mezclas de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor y metano como combustible directamente. debido a su cambio interno y su capacidad de reforma. [1] Esto abre la posibilidad de ciclos de energía eficientes basados en pilas de combustible que consuman combustibles sólidos como carbón y biomasa , cuya gasificación da como resultado un 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 del reformado de metano, el desplazamiento de gas de agua y las operaciones de separación de hidrógeno que de otro modo serían necesarias para aislar el hidrógeno puro como combustible. Un ciclo de energía basado en la gasificación de combustible sólido y SOFC se denomina ciclo de pila de combustible de gasificación integrada (IGFC); La central eléctrica IGFC es análoga a una central eléctrica de ciclo combinado con gasificación integrada , pero con la unidad de generación de energía de turbina de gas reemplazada por una unidad de generación de energía de celda de combustible (tipo de alta temperatura como SOFC). [2] Aprovechando la eficiencia energética intrínsecamente alta de las SOFC y la integración de procesos, es posible lograr eficiencias excepcionalmente altas en las plantas de energía. Además, las SOFC en el ciclo IGFC pueden funcionar para aislar una corriente de escape anódica rica en dióxido de carbono, lo que permite una captura eficiente de carbono 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 de cobertura con la turbina de gas o el ciclo de cobertura basado en un generador de vapor con recuperación de calor. Los componentes principales típicos del sistema IGFC, éste centrado en un módulo SOFC que funciona a presión atmosférica, se identifican en el diagrama de ciclo simplificado.
El combustible del sistema, como se muestra, es carbón, convertido en gas de síntesis por el gasificador, que luego se suministra al módulo SOFC después de la limpieza y reducción de presión. En este concepto de sistema, la etapa de reducción de la presión del gas de síntesis se logra mediante un expansor/generador , que de ese modo produce parte de la generación bruta de energía del ciclo. El oxígeno para el proceso de gasificación del carbón lo proporciona una unidad de separación de aire convencional , y el vapor para el gasificador se genera mediante el calor del sistema eléctrico y el agua reciclada. Tenga en cuenta que el módulo SOFC está configurado para mantener separadas las corrientes de gas de salida del ánodo y del cátodo, y el gas de salida del ánodo, que contiene algo de hidrógeno y monóxido de carbono sin reaccionar electroquímicamente, se quema hasta su finalización en el oxicombustor . Mantener la separación de las corrientes de gases de escape restringe el gran contenido de nitrógeno atmosférico al lado del cátodo y simplifica el proceso de captura de CO 2 para el enfriamiento de los gases de escape del ánodo, la condensación de vapor de agua, el secado de CO 2 y la compresión de CO 2 . El CO 2 comprimido es adecuado para la utilización o almacenamiento de carbono (CUS), según corresponda. El calor recuperado del proceso del lado del ánodo se puede utilizar mediante un ciclo 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 SOFC y para la refrigeración del módulo es proporcionado por un soplador de aire; El calor se puede recuperar de la corriente de gas de escape del cátodo caliente para precalentar el aire del proceso según sea necesario y para generar energía adicional. Debido a la SOFC inherentemente eficiente y al uso del calor de escape de las SOFC recuperado para generar energía eléctrica adicional, un sistema IGFC es capaz de operar con una alta eficiencia eléctrica que excede significativamente las asociadas con los sistemas de energía de ciclo combinado de gasificación integrada y carbón pulverizado convencionales . Los márgenes de eficiencia del IGFC que se consideran alcanzables, basados en los estudios comparativos de sistemas de energía avanzados del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía de EE. UU., son evidentes en la tabla que se proporciona en una discusión posterior.
La mejora de la eficiencia del ciclo IGFC es posible mediante el funcionamiento presurizado de las SOFC, como se muestra en el diagrama de IGFC con ciclo SOFC presurizado. El proceso es básicamente similar al ciclo de presión atmosférica, pero haría funcionar el módulo SOFC a presión elevada, logrando un aumento de voltaje de SOFC, y reemplazaría 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 gas de salida del cátodo para reducir las presiones del gas y generar energía adicional (esto tiende a bajar 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 aguas abajo del oxicombustor, y delante de la recuperación de calor de los gases de escape.
Se encuentran disponibles comercialmente múltiples 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. Como resultado, pueden diferir en la composición del gas de síntesis producido y la eficiencia con la que convierten el contenido de energía del carbón en contenido de energía del gas de síntesis, un parámetro de rendimiento típicamente denominado eficiencia del gas frío. [3] Los gasificadores también varían en sus principales parámetros operativos, por ejemplo, la temperatura del proceso, la presión y las demandas de oxígeno y vapor. Para los sistemas de energía basados en la integración de la gasificación del carbón y las tecnologías SOFC, estos parámetros, particularmente la eficiencia del gas frío y las demandas de oxígeno y vapor, afectarán la eficiencia de la producción de electricidad.
Los gasificadores son de tres tipos principales: flujo arrastrado, lecho móvil y lecho fluidizado. [4] Los gasificadores de flujo arrastrado (por ejemplo, GE Energy, Shell, E-Gas™, Siemens) podrían atraer un interés temprano para las aplicaciones de sistemas de energía de celdas de combustible porque están relativamente bien desarrollados y se utilizan en los diseños actuales de sistemas de energía de ciclo combinado de gasificación integrada y aplicaciones. La gasificación por flujo arrastrado normalmente se produce a temperaturas de proceso relativamente altas, requiere entrada de oxígeno a tasas relativamente altas, entrada de vapor a tasas bajas a moderadas y produce un producto de gas de síntesis con un contenido de metano muy pequeño, generalmente menos del 1 % (vol). Las eficiencias del gas frío para la gasificación de flujo arrastrado suelen estar en el rango del 80%. El gasificador de lecho móvil (por ejemplo, Lurgi) funciona a niveles de temperatura moderados y con requisitos moderados de suministro de oxígeno y vapor. La eficiencia del gas frío lograda por este gasificador es mayor, alrededor del 90 %, y su corriente de producto de gas de síntesis tendrá un contenido de metano nominal en el rango del 4-5 % (vol). [5] La gasificación en lecho fluidizado (por ejemplo, KBR Transport) procede con características similares, pero exhibirá un contenido de metano de 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 contenido característicamente alto de metano del gas de síntesis resultante. Este proceso experimentó un desarrollo en la década de 1980 para fines de producción de gas natural sintético. En comparación con la gasificación convencional resumida anteriormente, un gasificador catalítico requeriría menos entrada de 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 temperatura de funcionamiento más baja, 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 del proceso de una menor entrada de oxígeno, respaldaría directamente el sistema de energía IGFC de alta eficiencia. operación. Además, la reforma interna del contenido sustancial de metano de su gas de síntesis dentro del módulo SOFC puede usarse por diseño para ayudar al enfriamiento del módulo y, por lo tanto, puede conducir a reducciones en la demanda de energía parásita asociada con el suministro de aire de enfriamiento. 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, y los estudios indican que se pueden lograr eficiencias eléctricas del sistema de energía en el rango del 45-50%, dependiendo de si el sistema de energía Utiliza módulos SOFC a presión atmosférica o presurizados. Sin embargo, particularmente desde el punto de vista de la eficiencia, el enfoque de gasificación de carbón preferido para la aplicación es catalítico. Usando esa tecnología, se proyectan eficiencias del sistema IGFC en el rango del 56-60 %, dependiendo nuevamente de la presurización del módulo SOFC. Las estimaciones y comparaciones se tabulan a continuación.
† Las estimaciones de eficiencia incluyen los efectos de las cargas de energía parásitas debido a la compresión de CO 2 para el secuestro/almacenamiento de carbono.
Además de las altas eficiencias de los sistemas de energía, los estudios [2] [9] también proyectan importantes costos de capital, costos de electricidad y ventajas netas en el uso de agua de las plantas de energía del sistema IGFC: sistemas de energía eléctrica IGFC que integran gasificación catalítica de carbón con diseños de módulos SOFC que separan los ánodos y corrientes de gases de escape catódicos, y cuentan con enfriamiento SOFC aumentado por reformación de metano, operarían de manera limpia con eficiencias eléctricas muy altas, al tiempo que proporcionarían altos niveles de captura de carbono y requerirían un bajo aporte neto 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 demandado 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 da como resultado gases de escape que contienen una gran cantidad de nitrógeno, a partir del cual 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 de combustible, lo que da como resultado 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 pérdida de energía por realizar la separación del aire necesaria para aislar la corriente de oxígeno en primer lugar. Por el contrario, para la función SOFC no se requiere una captura ineficiente de carbono de los gases de escape ni una separación de aire: la única interacción requerida de las corrientes reactivas del ánodo y del cátodo es la transferencia de oxígeno del lado del cátodo (aire) al lado del ánodo (combustible). Todo el carbono, excepto la cantidad insignificante del aire atmosférico que entra por el cátodo, entrará al módulo con el combustible por el lado del ánodo y debe 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 esa corriente rica en carbono con nitrógeno atmosférico del lado del cátodo, lo que permite una separación y captura de dióxido de carbono simple y económica aguas abajo.