Projecte de referència en Combustibles Sintètics

El projecte CoSin està orientat a desenvolupar aquelles accions necessàries per convertir-se  en una referència  internacional científica, tecnològica i industrial en combustibles sintètics a partir de carboni d’origen biogènic i aigua. El projecte pretén cobrir la fonamental necessitat dels sistemes energètics actuals i futurs de poder emmagatzemar energia com a energia química tot resolent la problemàtica de com emmagatzemar energies renovables a gran escala.

La prioritat en usar el carboni d’origen biogènic  emmarca aquestes accions dins d’una economia circular a l’entorn del CO2 contribuint a les millores medi ambientals i a la disminució de les emissions de CO2. Es contempla la possible utilització de fonts de carboni  com la biomassa forestal, purins o fangs de depuradores que aporten un valor social i mediambiental afegit.

Encara que la producció de biogàs és relativament ben coneguda a partir de la digestió anaeròbia,  tecnològicament resten obert molts aspectes relatius a la seva optimització i control, especialment relatius a les etapes de filtratge per l’eliminació d’impureses del biogàs  i la possibilitat de poder separar el CO2 y el CH4 . Així mateix la hidrogenació del CO2 separat o del propi biogàs ens porta a la síntesis de metà que constitueix la principal fita per aquest projecte si bé l’obtenció d’altres productes com metanol, combustibles líquids, també es contempla.

És objectiu del projecte anar més enllà del present estat de l’art desenvolupant noves formes de separació i control de tot el sistema que constitueix un important valor afegit a l’actual tecnologia. Tanmateix, es desenvoluparan noves formes més efectives d’obtenció d’hidrogen a partir d’electròlisi a altes temperatures o de la co-electròlisi conjunta de H2O i CO2 per obtenir barreges controlades de H2 i CO com a elements d’entrada per diferents rutes de síntesis química.

La hidrogenació total del CO2 o del propi biogàs requereix de nous reactors preferiblement modulars que precisen de nous conceptes i dissenys conjuntament amb l’ús de nous catalitzadors més eficients i amb més llarga vida que els reactors tradicionals de llit fluïditzat. Cada un d’aquests punts tal com separació, producció d’hidrogen, hidrogenació de CO2 o hidrogenació de biogàs,  producció de metà sintètic, producció de metanol, etc., o el propi control de tots i cada un dels processos implicats constitueixen un pas clau pel desenvolupament d’una tecnologia amb grans perspectives per les oportunitats industrial de noves alternatives de negoci. De la mateixa manera representen reptes científics i tecnològics per implementar components, processos i tecnologies més eficients, més barates i amb menys degradació i costos de manteniment i d’operació. Aspectes tots ells que esdevenen essencials per l’abaratiment dels combustibles sintètics per fer-los  competitius el que és, a dia d’avui, en si mateix un seriós repte econòmic.

Per una part, els esforços es centraran en la producció de forma controlada de biogàs enriquit havent separat el CO2 del CH4. Per altra part,  es desenvoluparan sistemes més eficients d’electròlisi i co-electròlisi. Finalment, es dedicarà un esforç substancial a tasques que aniran dirigides a millorar els propis sistemes de metanació incloent la vida mitjana i eficiència de tots els seus components així com l’avaluació de l’efectivitat del seu disseny i control.

Per dur a terme el projecte caldrá disposar de fonts de carboni d’origen biogènic que aquí serà obtingut a partir de processos que generen biogàs a partir de fangs de depuradores si bé purins i biomassa son fons alternatives.

La transformació del CO2 separat del biogàs o la pròpia transformació del biogàs en un gas ric en metà (>98%) precisa de hidrogen. Si bé aquest es pot obtenir de diverses maneres, una de les vies més madures que ofereix solucions industrials amb costos admissibles i permeten utilitzar energia elèctrica provenint de renovables es la electròlisi i la co-electròlisi.

Finalment, una vegada disponibles els elements a transformar, CO2 i H2, les accions es focalitzen sobre els reactors  en general i particularment sobre l’obtenció de metà sintètic a partir del procés de metanació.

El projecte consta de tres blocs ja que son els passos necessaris per la síntesi de combustibles, en una primera fase metà, i d’altres productes d’alt valor afegit a partir de carboni biogènic.

Cal destacar que encara que aquestes tres etapes es presenten en un mateix procés de planta poden operar separadament, la seva integració donarà un procés més complert i eficient.

Cadascuna d’aquestes fases presenten els seus propis reptes cientifico-tecnològics i les seves oportunitats de negoci que es descriuen a continuació.

A.1) Biometà

L’objectiu principal d’aquest bloc es validar la viabilitat tècnica i econòmica de la conversió del biogàs generat en les Estacions Depuradores d’Aigües Residuals (en endavant EDAR) en biometà mitjançant el seu enriquiment. D’aquesta forma es demostrarà el potencial d’aquest biocombustible com una alternativa verda, viable i rentable als combustibles fòssils gasosos que s’utilitzen actualment, i s’afavorirà la seva progressiva inclusió en el mix energètic.

L’enriquiment del biogàs consisteix en la separació dels seus dos principals components, CH4 i CO2, de forma que s’obté CH4 (metà) quasi pur amb un poder calorífic significativament major que el del biogàs brut. El biometà és un combustible gasós i renovable, amb la mateixa composició química que el gas natural, i que per tant pot substituir a aquest en totes les aplicacions, sempre que es compleixen els requeriments de qualitat establerts per les corresponents normatives.

D’aquesta forma, per una part es redueix el consum de combustibles fòssils, així com la dependència exterior dels recursos energètics (el 76,6% dels recursos energètics consumits a Catalunya (2007) i el 70,5% a Espanya (2013) provenen de l’estranger), introduint un nou biocombustible, que principalment tindrà aplicacions en la seva injecció en la xarxa de gas natural, i en el seu ús com a combustible per vehicles. Per altra part, s’aconsegueix un ús més eficient del biogàs generat a les EDAR i altres plantes de tractament de residus orgànics, que actualment s’utilitza habitualment en motors de cogeneració (amb un rendiment elèctric baix, al voltant del 30-35%) o simplement per generar calor a nivell local en calderes, desaprofitant una part important del seu contingut energètic.

Per aquesta validació es construirà i operarà un prototip de planta d’enriquiment de biogàs en una EDAR, compost per una primera fase de neteja de biogàs on s’eliminaran els principals contaminants i una segona fase de separació per membranes on es separarà el CO2 del biometà, enviant el primer a la unitat de metanació descrita en l’apartat A.3. En aquesta unitat s’estudiarà el seu rendiment, el consum energètic de la separació, la puresa dels gasos obtinguts, etc.

A.2) Electrolitzadors i co-electrolitzadors

L’objectiu principal d’aquest bloc és el de desenvolupar un sistema de generació de conversió d’energia elèctrica en hidrogen i syngas per a la generació de combustibles sintètics per reacció catalítica. La tecnologia emprada per a la producció d’hidrogen i el syngas és l’electròlisi d’alta temperatura (Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC, en anglès). Aquesta tecnologia permet altes eficiències (>90%), règim d’operació dinàmic (acoblable a renovables) i alts ritmes de producció (>10 kA/m2 de corrent injectada i >200 mols H2/h.m2).

El principal objectiu tecnològic del projecte és desenvolupar un sistema complert de conversió d’electricitat en hidrogen/syngas basat en tecnologia pròpia d’electròlisi d’alta temperatura i la seva integració en un sistema que inclogui un reactor catalític per a la seva avaluació en condicions reals d’operació. Cal remarcar que en aquests moments, la tecnologia de co-electròlisi per a la generació de gas de síntesi (CO:H2) a partir de H2O i CO2 es troba en un estat d’investigació pel desenvolupament de la tecnologia, ja que no existeixen sistemes comercials al mercat.

El sistema constarà de les següents etapes i serà construït íntegrament pel consorci:

  • Generació de vapor d’aigua i/o barreja amb CO2.
  • Conversió d’electricitat en hidrogen
  • Sistema de recirculació d’hidrogen
  • Sistema de metanació
  • Balanç de planta i sistema de control

A.3) Metanació

Les principals àrees que es desenvoluparan en aquest bloc són les següents:

  • Implementar una unitat mòbil de metanació  que permeti avaluar las prestacions de la metanació  i la seva viabilitat tècnica i econòmica en diferents plantes productores de biogàs atès que aquestes podem tenir diferent origen de biomassa com a primer pas per desenvolupar futures plantes industrials de producció de combustibles sintètics, essencialment metà. Aquesta unitat està basada en un sistema modular escalable. En una primera fase està plantejat instal·lar un mòdul versàtil amb una capacitat d’electròlisi de 20-30kW que permet produir entre 1.00-4.25 Nm3/h de gas natural sintètic per tal de dur a terme tot tipus d’assaigs i verificacions en la pròpia planta de producció de biogàs.
  • Avaluar els efectes de les impureses presents en el biogàs sobre la vida mitja dels catalitzadors i les característiques del reactor. Establir la concentració màxima d’impureses amb que es pot operar i de quin tipus.
  • Estudiar comparativament les vies de processar directament biogàs filtrat/depurat o únicament el CO2 separat en el procés d’enriquiment.
  • Avaluar la viabilitat d’injecció del metà produït a la xarxa de gas o de pressuritzar-lo pel seu consum com a combustible en sistemes de transport.
  • Desenvolupar noves i disruptives  vies alternatives per la implementació de reactors pel procés de metanació en base a la utilització de plasma com alternativa a les vies purament termoquímiques tractant de disminuir el seu cost.
  • Assaig de nous catalitzadors per la millora estratègica de vida mitjana, producció i selectivitat dels sistemes de reactors per optimitzar els costos de manteniment i operació tractant de disminuir el seu cost d’operació.

Més informació del projecte Cosin en aquest esquema.