Evaluación de la implementación de la tecnología de captura de carbono Ca‐looping en una industria papelera.

En este Trabajo Fin de Máster se van localizar y analizar las principales fuentes de emisiones de CO2 generadas en el ciclo Kraft de una industria papelera. Se trata de un proceso cíclico que permite recuperar las sustancias químicas utilizadas durante la cocción de la biomasa de entrada en digestores para la obtención del papel. Las principales fuentes de generación de CO2 son la caldera de cal, la caldera de recuperación y el horno de cal. La mayor parte proceden de la combustión de biocombustible por lo que son emisiones biogénicas. Tan sólo el horno de cal utiliza gas natural para la calcinación. El objetivo de este análisis reducir estas emisiones implementando un sistema de captura post‐combustión con la tecnología calcium looping. Esta tecnología captura el CO2 procedente de los gases emitidos por la industria papelera por carbonatación. A continuación, en el reactor de calcinación se calcina CaCO3 que para generar una corriente de CO2 pura que será capturada y comprimida y un sorbente regenerado. Este sistema de captura supone una penalización energética alta, principalmente por la producción de O2 para la oxicombustión y la compresión del CO2 capturado. Para compensar esta penalización energética, se integra la energía cedida por la planta de captura para la generación de vapor vivo y recalentamiento para en la central térmica. Por último, se comparan los resultados del balance de CO2 y de potencia, sin y con la integración de la planta de captura de CO2.<br /

Operational optimization of Calcium Looping-based thermal energy storage system in concentrated solar power plants

La Agencia Internacional de la Energía (IEA) señala la necesidad de establecer una economía basada en bajas emisiones de carbono y utilización de recursos renovables, con el fin de alcanzar el escenario de cero emisiones netas para el año 2050. Por tanto, el almacenamiento de energía será clave para el despliegue masivo de energías renovables, contribuyendo de forma decisiva a la mitigación del cambio climático. El aprovechamiento de los recursos solares a través de tecnología de energía solar de concentración será una de las fuentes renovables más extendidas, dada su amplia disponibilidad y reducción de costes en la última década. La mejora de la capacidad de despacho en las plantas de energía solar de concentración (CSP) está supeditada al almacenamiento de energía. La primera y segunda generación de centrales CSP ya utilizan almacenamiento térmico en forma de calor sensible, principalmente sales fundidas. Las perspectivas para la próxima generación de plantas de CSP indican un aumento en la implementación de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura, integrando ciclos de energía altamente eficientes. El estado del arte y futuras líneas de investigación de las tecnologías de almacenamiento de energía térmica integradas en las plantas CSP se han recogido y publicado en la siguiente revisión: - Pascual S, Lisbona P, Romeo LM. Thermal energy storage in concentrating solar power plants: A review of European and North American R&D projects. Energies 2022, 15, 8570. La tecnología de almacenamiento de energía térmica más prometedora para la tercera generación de plantas de CSP se basa en sistemas gas-sólido de almacenamiento de energía termoquímica (TCES). El ciclo de calcio (Calcium Looping - CaL) basado en la reacción gas-sólido de carbonatación-calcinación es uno de los potenciales sistemas TCES a integrar en plantas CSP, dada su alta capacidad de almacenamiento y alta temperatura de operación. Esta Tesis Doctoral presenta soluciones técnicas novedosas con el objetivo de mejorar la eficiencia energética de ciclos de calcio como sistemas TCES. En concreto, se propone y se analiza por primera vez una opción innovadora para la mejora de la eficiencia energética basada en la gestión dela circulación de sólidos no reactivos en el proceso CaL. Además, se aborda el funcionamiento dinámico del sistema CaL TCES bajo condiciones reales de operación, considerando la variabilidad de la demanda energética y del recurso solar. La investigación incluida en esta Tesis Doctoral se ha desarrollado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de Zaragoza, dentro del Programa de Energías Renovables y Eficiencia Energética. Los estudios de doctorado han sido financiados por el Programa de Formación de Profesorado Universitario (FPU) del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España, desde octubre de 2018 hasta marzo de 2023. La presente Tesis Doctoral aborda la mejora de la eficiencia energética del proceso CaL operando como sistema TCES mediante una gestión mejorada dela circulación de material no reactivo. Hasta ahora, la investigación realizada en este ámbito se ha centrado en la evaluación de configuraciones convencionales del sistema CaL TCES, en las cuales los sólidos parcialmente carbonatados circulan por todo el sistema. Por otra parte, el funcionamiento dinámico del sistema convencional se ha analizado únicamente en función de la disponibilidad del recurso solar sin tener en cuenta la demanda de energía. En el presente trabajo se da un paso más, (i) mejorando la eficiencia energética mediante un novedoso manejo de sólidos sin reaccionar y (ii) definiendo el patrón dinámico de operación del sistema CaL TCES, considerando la disponibilidad del recurso solar y el precio de la electricidad en el mercado. Como punto de partida, se evalúan los requerimientos energéticos del sistema CaL TCES convencional propuesto en bibliografía. Los sólidos circulan dentro del sistema y se almacenan o recuperan de los silos según la disponibilidad del recurso solar y la demanda de energía. El objetivo de este primer paso es sentar las bases de la Tesis Doctoral, analizando la eficiencia energética en función de la gestión de las sustancias almacenadas (gas y materiales sólidos) hacia y desde los tanques de almacenamiento. Como resultado de este trabajo, se publicó el siguiente artículo: - Bailera M, Pascual S, Lisbona P, Romeo LM. Modelling Calcium Looping at industrial scale for energy storage in concentrating solar power plants. Energy 2021, 225, 120306. Tras analizar las necesidades energéticas del sistema CaL TCES convencional, se propone una novedosa configuración en el siguiente bloque de esta Tesis Doctoral. La eficiencia energética se mejora a través de la recirculación al carbonatador del CaO que no ha reaccionado. Se incluye un clasificador sólido-sólido basado en la diferencia de densidades, con el fin de separar las partículas de CaO sin reaccionar de las parcialmente carbonatadas. Además, se comparan la eficiencia energética y el tamaño de los equipos de la planta entre ambas configuraciones CaL TCES (convencional y nueva propuesta) bajo las mismas condiciones de operación de los equipos de la planta. El segundo objetivo es evaluar el efecto de la separación de sólidos carbonatados sobre el tamaño de la planta y el ahorro energético, estableciendo aquellos mapas operativos que maximicen la eficiencia energética del sistema CaL TCES. Los trabajos publicados relacionados con esta segunda etapa de la Tesis Doctoral son: - Pascual S, Lisbona P, Bailera M, Romeo LM. Design and operational performance maps of Calcium Looping thermochemical energy storage for concentrating solar power plants. Energy 2021, 220, 119715. - Pascual S, Lisbona P, Romeo LM. Operation maps in Calcium Looping thermochemical energy storage for concentrating solar power plants. Journal of Energy Storage 2022, 55, 105771. Los resultados de la simulación del sistema CaL TCES han sido complementados por una campaña experimental. Los objetivos de la etapa experimental son (i) determinar el grado de carbonatación del sorbente en condiciones reales de funcionamiento del sistema CaL TCES y (ii) evaluar la viabilidad técnica de la separación de sólidos carbonatados. El comportamiento del sorbente se analizó bajo condiciones CaL como sistema TCES (850 ºC carbonatación y 950 ºC calcinación, en atmósfera de CO2 puro) en reactores de lecho fluidizado escala laboratorio, asumiendo un comportamiento operativo escalable a gran escala. Además, se midieron tanto la densidad aparente como la velocidad mínima de fluidización de partículas calcinadas y carbonatadas para evaluar el potencial de separación del CaO parcialmente carbonatado con diferente contenido de CaCO3 por diferencia de densidad. Adicionalmente, se desarrolló y validó una nueva ecuación empírica para estimar la conversión del sorbente en función de la densidad aparente experimental. Esta etapa experimental se llevó a cabo durante una estancia de investigación internacional en la Università degli Studi di Napoli Federico II (UNINA) y el Institute for Research on Combustion (IRC-CNR) de Italia, dando lugar los siguientes trabajos, uno presentado en conferencia internacional y otro publicado en revista científica: - Pascual S, Di Lauro F, Lisbona P, Romeo LM, Tregambi C, Montagnaro F, Solimene R, Salatino P. Improvement of performance of fluidized bed Calcium Looping for thermochemical solar energy storage: Modelling and experiments. Proceedings of 10th European Combustion Meeting 2021. - Tregambi C, Di Lauro F, Pascual S, Lisbona P, Romeo LM, Solimene R, Salatino P, Montagnaro F. Solar-driven Calcium Looping in fluidized beds for thermochemical energy storage. Chemical Engineering Journal 2023, 466, 142708. El último bloque de la presente Tesis Doctoral se centra en el funcionamiento dinámico del sistema CaL TCES a lo largo del día y del año. El objetivo es establecer una metodología que establezca la operación del sistema maximizando los ingresos diarios de la planta CSP teniendo en cuenta la variabilidad del suministro solar y la demanda de energía. Como resultado de la aplicación de la metodología desarrollada, se obtiene el patrón de operación real y el tamaño requerido para los equipos de la planta en base a la disponibilidad del recurso solar y el precio del mercado eléctrico. Los mayores ingresos para la planta de CSP provendrán de un sistema CaL TCES que minimiza el transporte de sólidos no reactivos dentro del sistema. Este último bloque de la Tesis Doctoral ha dado lugar a la publicación de un artículo científico más: - Pascual S, Lisbona P, Romeo LM. Optimized Ca-looping thermochemical energy storage under dynamic operation for concentrated solar power. Journal of Energy Storage 2023, 68, 107587.<br /

The Calcium-Looping technology for CO2 capture: On the important roles of energy integration and sorbent behavior

The Calcium Looping (CaL) technology, based on the multicyclic carbonation/calcination of CaO in gas–solid fluidized bed reactors at high temperature, has emerged in the last years as a potentially low cost technology for CO2 capture. In this manuscript a critical review is made on the important roles of energy integration and sorbent behavior in the process efficiency. Firstly, the strategies proposed to reduce the energy demand by internal integration are discussed as well as process modifications aimed at optimizing the overall efficiency by means of external integration. The most important benefit of the high temperature CaL cycles is the possibility of using high temperature streams that could reduce significantly the energy penalty associated to CO2 capture. The application of the CaL technology in precombustion capture systems and energy integration, and the coupling of the CaL technology with other industrial processes are also described. In particular, the CaL technology has a significant potential to be a feasible CO2 capture system for cement plants. A precise knowledge of the multicyclic CO2 capture behavior of the sorbent at the CaL conditions to be expected in practice is of great relevance in order to predict a realistic capture efficiency and energy penalty from process simulations. The second part of this manuscript will be devoted to this issue. Particular emphasis is put on the behavior of natural limestone and dolomite, which would be the only practical choices for the technology to meet its main goal of reducing CO2 capture costs. Under CaL calcination conditions for CO2 capture (necessarily implying high CO2 concentration in the calciner), dolomite seems to be a better alternative to limestone as CaO precursor. The proposed techniques of recarbonation and thermal/mechanical pretreatments to reactivate the sorbent and accelerate calcination will be the final subjects of this review.Spanish Government Agency Ministerio de Economia y Competitividad (contracts CTQ2014-52763-C2- 2-R and CTQ2014-52763-C2-1-R)Andalusian Regional Government (Junta de Andalucia-FEDER contracts FQM-5735 and TEP-7858

Techno-Economic Assessment of Carbon Mitigation Technologies (TRANSMIT)

EU Cost Actio