Gasificación de Carbón en Chile, para Obtención de Hidrógeno y Electricidad en Planta de Ciclo Combinado

Abstract

Las proyecciones del precio internacional del petróleo, según la mayoría de los analistas del tema, muestran un progresivo aumento. El irreversible aumento de precio de este recurso ha motivado a países y empresas a buscar nuevas alternativas y tecnologías relacionadas con la explotación y uso de otras fuentes de energía. Una alternativa mundialmente observada es el recurso carbonífero, cuyas reservas mundiales son mayores que las de cualquier otro hidrocarburo. Chile posee 1300 millones de toneladas de recurso carbonífero, utilizables considerando factores técnicos y económicos, que pueden ser inyectadas en su matriz energética actual, alternativa de mayor estabilidad frente a importaciones de otras fuentes de energía. La forma moderna de uso del carbón contempla su Gasificación. El presente trabajo tuvo por objetivos la demostración del atractivo que, en Chile, tiene la Gasificación, el aporte de criterios de diseño de una unidad de gasificación, la definición de características y estimación de espesores de las capas que debiesen componer su pared, y, finalmente, la estimación del costo de construcción de un gasificador. La Gasificación es un proceso que genera Gas de Síntesis, compuesto, principalmente, por CO y H2, a partir de carbón, O2 y H2O. Este gas puede ser usado para la síntesis de H2, mediante la reacción Shift, o generación de electricidad, en plantas modernas de Ciclo Combinado. Esta tecnología presenta costos de inversión y operación levemente mayores respecto al uso directo del carbón en Centrales Térmicas de Carbón Pulverizado (PC). Pese a lo anterior, la tecnología de Gasificación Integrada a Ciclo Combinado (GICC) muestra una mayor eficiencia (43.1% para GICC vs 39.6%, para PC), duración de recursos carboníferos disponibles y enormes ventajas ambientales. Si se reemplazara la generación eléctrica en Chile a partir de gas natural por tecnología GICC de uso del carbón, los recursos carboníferos nacionales conocidos y explotables durarían alrededor de 72 años. Para la gasificación de carbón en Chile, se propone un Reactor de Lecho Arrastrado con alimentación húmeda y dos etapas. El escalamiento de este tipo de reactores debe considerar la mantención de condiciones al interior del reactor, como presión y temperatura, y la pérdida de una cantidad fija y elegida de calor a través de las paredes. Esto último, permite calcular espesores de pared. El diseño riguroso de un Gasificador de Lecho Arrastrado debiese estar fundado en el comportamiento químico, fluidodinámico y energético de la materia en su interior. No se dispone, en la actualidad, de modelos que den cuenta del comportamiento del sistema completo, no existiendo aún descripción para la conducta y formación de partículas de escoria al interior del reactor, lo que acotaría la velocidad del gas y, con esto, la forma interna del reactor. Futuros trabajos de modelación y diseño debiesen estar basados en la descripción de los fenómenos de formación de partículas de escoria y transferencia de masa alrededor de una partícula de carbón, previa validación de tal descripción matemática con datos reales. Dicha modelación y diseño deberá considerar la solución de un sistema representativo de ecuaciones de conversión química, transferencia de masa, fluidodinámica y transferencia de energía, lidiando con la rigidez de tal sistema. La pared debiese estar compuesta de capas de distintos materiales cuyas características varían en función de la posición en la pared, esto es, acentuando resistencia a la temperatura, resistencia al paso del calor y soporte estructural, de adentro hacia fuera del reactor. El escalamiento trae consigo variaciones en los espesores de pared. Los espesores de pared aumentan cuando el reactor decrece en tamaño, debido al aumento en la resistencia al paso del calor necesaria para acotar las pérdidas energéticas al ambiente. El análisis de costos de materiales de construcción del gasificador desarrollado, para distintas escalas de producción, y la incorporación de criterios de eficiencia energética, revela la existencia de un óptimo estimado para el tamaño de la unidad de gasificación, de 0.5 [m] de diámetro interno y 10 [m] de altura. El costo aproximado para la construcción de esta unidad es de 150 millones de pesos.