química y medioambiente. desarrollo sostenible. 75 csic

Química y Medioambiente: Desarrollo sostenible

De cómo la investigación en tecnología química contribuye a mejorar el estado del medioambiente y

favorece el desarrollo sostenible.

Teresa Valdés-Solís Instituto Nacional del Carbón

Un cambio de mentalidad

Del carbón como combustible sucio y contaminante y la química como fuente de contaminación del medio ambiente

A las tecnologías químicas que nos ayudan a proteger el medio ambiente y a hacer un uso más sostenible de los recursos naturales

Desarrollo sostenible

Social

Medioambiental Económico

Equitativo

Viable

Soportable

SOSTENIBLE

Satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades

Informe Brutland, 1987

No consumir de más

No contaminar de más

Implica

El INCAR, la química y el medioambiente

Materiales para aplicaciones estructurales,

energéticas y medioambientales

Tecnologías limpias para la conversión y el uso del

carbón

El Instituto Nacional del Carbón se dedicó inicialmente a la investigación científica y tecnológica para el uso y aplicación del carbón, especialmente el asturiano.

Líneas de investigación actuales

Consumo mundial de energía primaria

BP Statistical Review of World Energy, Junio 2014 bp.com/statisticalreview

Petróleo

Gas Natural

Hidráulica

Carbón

Nuclear

Renovables

El carbón, presente y futuro

El carbón, presente y futuro

Electricidad 85%

Siderurgia 12%

Industria 1%

Otros usos 2%

Consumo de carbón en España por sectores de utilización, 2013

International Energy Agency: Coal Information 2014 Edition Datos oficiales del M. Industria, Energía y Turismo

http://www.minetur.gob.es/energia/balances/Balances/LibrosEnergia/Energia_en_espana_2013.pdf

Consumo mundial de carbón por sectores de utilización, 2012

Electricidad 69%

Siderurgia 12%

Industria 13%

Otros usos 6%



Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón

200 mm


90s-2000s

Grupos de Procesos Energéticos y Reducción de emisiones (PREM); Materiales Porosos Funcionales (MPF); …

Materiales para aplicaciones […] medioambientales

SCR

NH3

Filtro electrostático

Chimenea

Caldera

Unidad SCR

Unidad de desulfuración

Calentador de aire


2000s- actualidad

Sistema captura de partículas

Sistema de desulfuración

“Lavado” del carbón

Inyección sorbentes

Influencia Sistemas SCR

Hg – ceniza

volante

Sorbentes regenerables fin

de ciclo

Hg 2+

Grupo de Contaminación por metales


2000s- actualidad

Uno de los problemas medioambientales más importantes

Emisiones de CO2 por sector en 2011, IEA 2013

En 2013 se emitieron 36 Gton CO2


del calentamiento global de que este calentamiento está producido

principalmente por el CO2 emitido por la actividad humana

Hay evidencias y consenso científico

Evidencias y efectos potenciales del cambio climático en Asturias, 2009 https://www.asturias.es/medioambiente/publicaciones/ficheros/LIBRO%20COMPLETO_ISBN_Evidencias.pdf


Ahorro y eficiencia energética

Cambio a combustibles con menos carbono (co-utilización)

Expansión de fuentes de energía renovables y biocombustibles

Hidrógeno como combustible alternativo

Captura y almacenamiento de CO2

Grupos de Captura de CO2; PREM; MPF; Microondas y carbones para aplicaciones tecnológicas(MCAT); …

Utilización de procesos más eficientes : gasificación Eliminación de contaminantes más sencilla

C + H2O → CO + H2

C + O2 + N2 → CO2 + N2 Combustión convencional

Gasificación

h~36%

h~45-50%

H2 carbón

O2

H2O

Gasificador

Eliminación contaminantes

Aire/O2

CO+H2

CO2+H2

CO2

Combustor

~ ~

Precombustión

Gasificador de lecho fluidizado

Composición típica gas obtenido

H2: 20%

CO: 15%

CH4: 3% N2: 35%

CO2: 23%

C + H2O = CO + H2

Además… Co-gasificación con captura in situ por inyección de CaO

Grupo de Procesos Energéticos y Reducción de emisiones

Co-utilización de carbón y biomasa para la generación de energía e hidrógeno.

Sustituir 1% de carbón por 1% de biomasa en una central IGCC supone una reducción de CO2 de ~2%

Oxi co-combustión de carbón y biomasa

Reactor de flujo en arrastre

0

20

40

60

80

100

0 50 100

Conversión en aire (%)

Con

vers

ión

oxyc

har 2

1 (%

)

SMK

Antracitas

C. Bituminosos bajos volátiles

C. Bituminosos altos y medios volátiles

Oxicombustión vs combustión

O2/N2 O2/CO2

Evitar que las emisiones de CO2 procedentes de la quema de combustibles fósiles acaben en la atmósfera

10-15% CO2

Resto N2

CAPTURA 90-100% CO2

TRANSPORTE

ALMACENAMIENTO

Postcombustión

Alternativas

Precombustión

Postcombustión Combustión y

captura simultáneas

Adsorbentes

Ciclos de Calcinación-carbonatación



Grupo de Captura de CO2

Ciclos de carbonatación - calcinación

CaO (s)+ CO2 + N2 CaCO3 (s) + N2

CaCO3 (s) CaO (s)+ CO2

30 kWt

Actualmente es la alternativa tecnológicamente más desarrollada y se considera económicamente viable

1 MWt

Planta de captura de CO2 de La Pereda

Grupo de Captura de CO2

Planta de captura de CO2 de la Robla

300 kW térmicos

Más de 900 h de experimentos

CaO + CO2 CaCO3+ calor

Biomasa + O2 CO2 + H2O + calor

El problema del CO2

2013: 36 Gt CO2

1 t CO2

10 m

El problema del CO2

Emisiones diarias de CO2

2013: TREINTA Y SEIS MIL MILLONES DE TONELADAS DE CO2

El problema del CO2

En España en 2012: 343 millones de toneladas de CO2

2500m

Usos del CO2

Usado industrialmente

Producido

2011: 4.5 Mt

Desarrollar nuevos procesos

~3 Mt CO2

Emisiones de CO2 por sector en 2011, IEA 2013

o Reducir el consumo de los vehículos

o Biocombustibles o Hidrógeno

Puede producirse a partir de cualquier fuente primaria. Tan limpio como el proceso por el que se genera. Hidrógeno + pila de combustible: mucha mayor eficiencia que los motores de combustión

El hidrógeno

Gas natural

Biomasa

Eólica

Geotérmica

Solar fotovoltaica

Solar térmica

Reformadores

Ciclos termoquímicos

Electrolizadores

H2

Captura y secuestro de CO2

Carbón IGCC

¿Nuclear?

CO2<0

Bio-metanol vía syngas

Reformado a bordo

Síntesis de hidrógeno a partir de CH4 asistida por microondas

Grupos de MPF; MCAT

Reformado in situ

Más eficiente que el uso directo del biocombustible

CH3OH + H2O CO2 + 3H2

C2H5OH + 3 H2O 2 CO2 + 6 H2

Reformado

1 cm

Grupo de MPF

1 cm

El INCAR, la química y el medioambiente

Materiales para aplicaciones estructurales,

energéticas y medioambientales

Tecnologías limpias para la conversión y el uso del

carbón

El Instituto Nacional del Carbón se dedicó inicialmente a la investigación científica y tecnológica para el uso y aplicación del carbón, especialmente el asturiano.

Líneas de investigación actuales

1987 1992

Cumbre de Río Agenda 21

1997

Protocolo de Kyoto

2005

Entrada en vigor del Protocolo de Kyoto

2014 1989

Protocolo de Montreal (OZONO)

2001

Estrategia Europea de DS

Revisión EEDS Estrategia CC

Noviembre 5° Informe IPCC

Desarrollo sostenible Satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades

Informe Brutland, 1987

Energía y MA

• Cambio climático y energía limpia

• Transporte sostenible

• Consumo y producción sostenibles

Recursos naturales y salud

• Conservación y gestión de recursos naturales

• Salud pública

Otros

• Integración social, demografía y flujos migratorios

• Pobreza en el mundo y retos del desarrollo sostenible

Estr

ate

gia

Eu

rop

ea d

e D

esa

rro

llo S

ost

enib

le


Grupos de PrEM, Adsorption and Environmental Protection on Porous Solids (AdPOR), MPF, Mat. carbonosos

42

35

6 8

6 4 T. Aguas

T. Gases

I. Farmacéutica

Otros

Alimentación Automoción

Carbón activo: 1.2 Mt/ año

MATERIALES DE

CARBONO

Biomasa

Hidrocarburos/

Carbón

Compuestos químicos

Muchos y todos distintos

Materiales porosos


Grupos de PrEM, Adsorption and Environmental Protection on Porous Solids (AdPOR), MPF, Mat. carbonosos

Reutilización de biomasa residual

Adsorbentes de diseño para aplicaciones específicas

Propiedades mejoradas -

multifuncionales Distintas aplicaciones

Propiedades modulables

Tendencias en materiales porosos

¿Por qué la biomasa?

Renovable Bajo coste Permite la síntesis de materiales ad hoc

cáscara almendra huesos aceituna huesos cereza

café postconsumo serrín de pino


Grupo de PrEM

Biomasa

Adsorbente: Pellets de café

Sumidero de CO2 Disponibilidad Barata Fuente renovable de C

Estabilidad Bajo coste Fácil regeneración Tamaño de partícula controlado Tamaño de poro controlado Química superficial controlada

CO2


Control de la porosidad

Microporos w< 2 nm

Mesoporos 2 < w < 50 nm

Macroporos w > 50 nm

0.7 nm 1.4 nm 1.8 nm 2.0 nm 3.2 nm

2.0 nm

50.0 nm

Control de la morfología y tamaño de partícula

Control de las propiedades químicas

Grupos de PrEM, AdPOR, MPF, MCAT, etc.


Materiales clásicos: carbones activos

Materiales de nueva generación

Diseño ad hoc Procesos mejorados Multifuncionales Facilidad de manejo

Grupos de MPF, AdPOR

Adsorción + separación del medio

Biocatalizadores Destrucción del contaminante

Materiales no carbonosos

MOFs Zeolitas Nanoestructuras inorgánicas


Estables y reutilizables

Fotocatalizadores

Grupos de AdPOR, MPF

Catalizadores para procesos avanzados de oxidación

CoFe2O4 en carbono

Reacción con H2O2

A modo de conclusión

Agradecimientos Grupo de Captura de CO2 Adsorption and Environmental protection on porous solids Group

Energy Processes and Emission Reduction Group

Química y Medioambiente: Desarrollo sostenible

Muchas gracias por su atención

Teresa Valdés-Solís [email protected] @tvaldessolis www.cienciaypresencia.blogspot.com.es

mailto:[email protected]