¿Podría la adopción de la tecnología de catalizador SCR ser una hoja de ruta para las centrales eléctricas que buscan puntos de CO2 económicos y eficientes?

A medida que avanza la búsqueda para desarrollar una red eléctrica con cero emisiones netas de carbono, entidades globales como la Agencia Internacional de Energía (AIE) señalan cada vez más un papel importante para la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS). La AIE llega incluso a decir que alcanzar el cero neto será casi imposible sin CCUS.

Las normas gubernamentales propuestas sobre emisiones de gases de efecto invernadero, el intenso escrutinio de las huellas de carbono y una avalancha de inversiones de los sectores público y privado han alimentado una explosión de interés en la tecnología y las soluciones CCUS. Aún así, la captura generalizada de CO2 en fuentes puntuales a nivel industrial se encuentra en las primeras etapas.

En ninguna parte esto es más evidente que en el entorno de las centrales eléctricas alimentadas con gas natural. Mitigar con éxito las emisiones de CO2 en su fuente durante la producción de electricidad inclinaría la balanza hacia la adopción de la energía del gas natural como una fuente abundante y confiable de energía limpia en la era neta cero.

Si bien la tecnología CCUS existe desde hace mucho tiempo, particularmente como base para una recuperación mejorada de petróleo, un obstáculo importante para su adopción generalizada ha sido el alto costo y la ineficiencia asociados con los métodos convencionales de captura de CO2 basados ​​en aminas líquidas. Las tecnologías tradicionales de captura de carbono a menudo requieren un aporte sustancial de energía, lo que resulta en una reducción de la eficiencia de la planta y un aumento de los costos operativos. El capital necesario para implementar instalaciones de captura de CO2 a gran escala también ha sido significativo, lo que ha disuadido a los operadores de centrales eléctricas de buscar estas soluciones. Además, el espacio requerido para estos sistemas a menudo hace que no sea práctico modernizar las instalaciones existentes.

Mientras lidiamos con las complejidades de implementar la captura de carbono en fuentes puntuales en el sector de las centrales eléctricas, los triunfos de la adopción del sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) pueden ofrecer lecciones valiosas. Desde principios de la década de 1990, los catalizadores SCR se han empleado ampliamente para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) provenientes de la quema de combustibles fósiles, lo que genera un aire más limpio y libre de smog.

Sin embargo, el camino hacia sistemas SCR económicos y eficientes en el espacio ofrece más que un estudio de caso. Algunas tecnologías emergentes de captura de fuente puntual (PSC) (Figura 1) se están diseñando actualmente para funcionar en conjunto con los sistemas SCR existentes y como una extensión de ellos, ofreciendo el potente impacto de la reducción combinada de NOx y CO2.

Los sistemas SCR se patentaron por primera vez en Estados Unidos en 1959. Las primeras aplicaciones para reducir los NOx se instalaron en plantas de ciclo combinado de gas natural (NGCC), seguidas de cerca por instalaciones en plantas de energía alimentadas con carbón a principios de los años 1990.

En 2006, estaban operativos 100 GW de capacidad alimentada con carbón equipada con SCR. Más de 300 plantas alimentadas con carbón han recibido tecnología SCR sólo en Estados Unidos, principalmente modernizaciones de generadores de vapor existentes, y hay muchas más instalaciones a nivel internacional. Muchas de esas instalaciones, que a día de hoy siguen funcionando con éxito, cuentan con catalizadores SCR fabricados por CORMETECH.

La importante experiencia operativa y los avances tecnológicos han hecho de la SCR un enfoque seguro, confiable y económico para la reducción de NOx. Los sistemas SCR modernos pueden reducir las emisiones de NOx de las plantas alimentadas con carbón y de ciclo combinado en más de un 90%, y las aplicaciones alimentadas con gas normalmente logran una reducción de NOx superior al 95%. El diseño modular de los sistemas permite una perfecta adaptación a las plantas existentes y una integración sencilla en nuevas construcciones.

El mundo está avanzando rápidamente hacia una red eléctrica con emisiones netas de carbono cero, con los países desarrollados a la cabeza. La AIE ha presentado las “condiciones esenciales” para que el sector energético mundial alcance emisiones netas de carbono cero en 2050 para limitar el calentamiento global.

Si bien era urgente reducir el smog tóxico que causa las emisiones de NOx, las emisiones de CO2 plantean una crisis existencial para las personas y el planeta. El camino hacia el cero neto es multifacético y matizado, y la reducción de la SCR se centró en una industria y una tecnología en particular. Sin embargo, CCUS está recibiendo una participación cada vez mayor de la inversión industrial y gubernamental porque el potencial de capturar CO2 en la fuente de emisión es una estrategia probada y sencilla que el análogo SCR ha funcionado antes.

Reconociendo la adyacencia entre la tecnología de catalizadores ambientales y el desarrollo de adsorbentes monolitos de CO2, el Departamento de Energía de EE. UU. ha otorgado financiación piloto a CORMETECH para avanzar en las tecnologías de captura directa de aire (DAC) y PSC. Para PSC, CORMETECH, con el apoyo de socios de la industria energética, incluidos Southern Company y Middle River Power, implementará a principios de 2024 en el Centro Nacional de Captura de Carbono de EE. UU. un modelo de proceso totalmente integrado destinado a lograr al menos una reducción de costos del 20 % en comparación con la amina líquida establecida. tecnología del sistema.

El enfoque CORMETECH comienza con un módulo adsorbente monolítico con estructura de panal con infusión de sorbente pendiente de patente. Esta innovadora tecnología emplea una pared completamente funcional para una mayor captura de CO2 en comparación con una superficie monolítica recubierta con sorbente. Este enfoque de diseño elimina la regeneración de solventes y gran parte de los costos de capital para bombas, intercambiadores de calor, tuberías y controles.

El sistema modular que alberga los monolitos infundidos emplea un proceso de adsorción/desorción por cambio de temperatura para separar el CO2 de los gases de combustión. La inyección directa de vapor facilita la desorción y, una vez condensado, prepara el CO2 para su transporte y utilización o secuestro. Tomando prestado de la experiencia de CORMETECH en geometría de catalizadores, diseño modular, regeneración y reciclaje, este concepto emergente de PSC promete una huella de control de emisiones significativamente más pequeña e integrada que los sistemas de aminas líquidas existentes con costos significativamente más bajos.

Para la reducción de costos es fundamental una plataforma de sostenibilidad circular patentada que ya alarga la vida útil del producto catalizador CORMETECH mediante la regeneración de catalizadores desactivados y luego se extiende al reciclaje de catalizadores al final de su vida útil para producir materia prima para la fabricación de nuevos catalizadores. La aplicación de este mismo modelo a los adsorbentes de CO2 abre la puerta a que los adsorbentes del sistema PSC se regeneren (en lugar de reemplazarlos por completo) con adsorbentes de próxima generación que los convertirían en motores de captura de CO2 aún más eficaces y potentes. Otras ventajas importantes de este enfoque son que prácticamente no se generan residuos en vertederos y la huella de carbono se reduce considerablemente.

El nuevo enfoque de diseño de CORMETECH es elegante en su simplicidad, pero presenta una fuerte integración con los sistemas de plantas de energía existentes. Este proceso ocurre en una unidad de proceso cíclico de lechos múltiples pero sin necesidad de vacío, lo que mejora la escalabilidad a grandes plantas NGCC. El proceso utiliza componentes familiares (como módulos SCR), no se utilizan soluciones de aminas líquidas en el proceso, la caída de presión en el lado del gas se mantiene baja para minimizar el impacto en la eficiencia de la planta y la oscilación térmica en operación es baja, por lo que la temperatura Se minimizan los requerimientos energéticos. Al igual que un sistema SCR, la implementación modular de CORMETECH es escalable para aplicaciones específicas.

Incluso con la aprobación de las enmiendas a la Ley de Aire Limpio de EE. UU. de 1990, nadie podría haber imaginado que unas décadas más tarde las emisiones de NOx generadas por las centrales eléctricas serían un 87% menores, aun cuando las plantas alimentadas con combustibles fósiles siguen siendo la columna vertebral de los EE. UU. Red eléctrica. Los catalizadores SCR permitieron una generación de energía más limpia en instalaciones de carbón, gas natural y nuevas orientadas al hidrógeno.

¿Podría surgir de la hoja de ruta para la adopción de SCR una posible respuesta a la reducción de CO2 que no comprometa la generación de electricidad asequible y confiable? No apuestes en contra.

—Este artículo fue contribuido a POWER porCORMETECH.

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