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EFECTO DE LAS EMISIONES Gases de efecto invernadero (GEI) Los GEI se acumulan en la atmósfera por años. Además del CO2 producido en la combustión de fósiles, se tiene: Metano (CH4) Se produce por causas naturales (descomposición anaeróbica de materia orgánica, fermentación intestinal de animales), o artificialmente (pérdida en pozos de petróleo y gas, gasoductos, almacenamiento, transporte, minas de carbón). La concentración es baja pero su absorción es alta. Óxido Nitroso (N2O) Se genera por combustión de fósiles y plantas químicas. Se vierte poco. CFCs (clorofluorocarbonos) Compuestos de carbono, cloro y flúor con propiedades fisicoquímicas adecuadas para varias aplicaciones (refrigeración, plásticos, aerosoles, etc.). Sintetizados por el hombre. En la baja atmósfera son inertes y de larga vida (varias décadas), al llegar a nivel estratosférico pierden estabilidad química y reaccionan con el O3 (agujero de ozono). DIEC-UNS - 1er cuat. 2019 FAE - Clase 4 1
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EFECTO DE LAS EMISIONES
Gases de efecto invernadero (GEI)
Los GEI se acumulan en la atmósfera por años. Además del CO2 producido en la combustión de fósiles, se tiene:
Metano (CH4)
Se produce por causas naturales (descomposición anaeróbica de materia orgánica, fermentación intestinal de animales), o artificialmente (pérdida en pozos de petróleo y gas, gasoductos, almacenamiento, transporte, minas de carbón). La concentración es baja pero su absorción es alta.
Óxido Nitroso (N2O)
Se genera por combustión de fósiles y plantas químicas. Se vierte poco.
CFCs (clorofluorocarbonos)
Compuestos de carbono, cloro y flúor con propiedades fisicoquímicas adecuadas para varias aplicaciones (refrigeración, plásticos, aerosoles, etc.). Sintetizados por el hombre. En la baja atmósfera son inertes y de larga vida (varias décadas), al llegar a nivel estratosférico pierden estabilidad química y reaccionan con el O3 (agujero de ozono).
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Gases de efecto invernadero (GEI) HCFCs (hidroclorofluoro-carbonos)
Reemplazo de CFCs, por su menor poder de destrucción de la capa de ozono. Los hidrofluoro-carbono (HFC) son un reemplazo que no reacciona con el O3.
PFCs (perfluoro-carbono)
Se usan en refrigeración, tratamiento de telas, extintores. Larga vida en la atmósfera y poder de absorción muy superior al CO2.
SF6 (hexafloruro de azufre)
Se utilizan en la industria eléctrica (seccionadores, etc.). El efecto de 1Kg de SF6 es equivalente al de 23.5 ton de CO2. 3500 años de vida en la atmósfera.
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EFECTO DE LAS EMISIONES
Efecto invernadero
Los GEI bloquean la radiación emitida por la tierra
La radiación solar se concentra en long. de onda muy inferiores a las de emisión de la tierra. Observar los espectros medidos y las aprox. de cuerpo negro para las temp. de las superficies (sol: 5900K, tierra: 288K).
La atmósfera filtra menos la radiación solar que la emitida por la tierra. Observar las principales bandas de absorción de los GEI
SOL TIERRA
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Efecto invernadero (cont.)
Incremento en la temperatura de la superficie terrestre
EstimacionesMediciones
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Efecto invernadero (cont.)
Registros de las emisiones de GEI
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EMISIONES DE CO2
Ciclo de carbono
Intercambio continuo de CO2 entre la biosfera y la atmósfera en el que intervienen varios procesos
El CO2 es absorbido de la atmósfera por
Fotosíntesis de las plantas y el fitoplancton
Disolución en los océanos y espejos de agua
El CO2 es emitido a la atmósfera por
Respiración de los animales
Descomposición de plantas y animales
Evaporación de los océanos
Combustión de fósiles (-6.4 Gt)
Deforestación y quema artificial (-0.5 a -2.7 Gt)Emisión neta
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6Desbalance aproximado: 3 Gt
Absorción neta
EMISIONES DE CO2
Acciones para reducirlas
Mejorar la eficiencia y conservación en el uso final
Sector residencial/comercial: utilizar procesos eficientes para climatización, iluminación, electrodomésticos, etc.
Sector industrial: reducir el uso directo de combustibles fósiles, modificar los procesos (p.ej. usar motores e intercambiadores de calor más eficientes).
Sector transporte: mejorar la eficiencia de motores a combustión, cambiar a vehículos híbridos, hidrógeno con celdas de combustible, o eléctricos (plug-in).
Mejorar la eficiencia en el suministro
Las centrales eléctricas tienen varias opciones
Utilizar gas natural en lugar de carbón (emite la mitad de CO2).
Reemplazar centrales de vapor de ciclo simple alimentadas a gas por turbinas a gas de ciclo combinado (CC). Para el ciclo simple la eficiencia térmica es 35-40% y para CC 50%.
Reemplazar las centrales de ciclo simple alimentadas a carbón por CC. Reducción de 60-70% en las emisiones.
Reemplazar las centrales de ciclo simple alimentadas a carbón por CC con gas obtenido sintéticamente (IGCC). Reducción de emisiones del 5-10%.
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EMISIONES DE CO2
Acciones para reducirlas (cont.)
Captura del CO2
En las centrales eléctricas, los gases de combustión contienen 9%-15% de CO2 dependiendo si el combustible es gas o carbón, y de la cantidad de O2 en la mezcla combustible.
La captura es dificultosa y costosa. Viable en plantas de carbón grandes. Una planta de 1000 MW produce entre 6 y 8 Mt/año y la captura puede producir variaciones importantes a nivel global.
Existen tres tipos de tecnologías:
Separación de aire con captura y reciclado de CO2
Absorción en solvente
Separación en membrana.
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EMISIONES DE CO2
Acciones para reducirlas (cont.)
Disposición final del CO2
Almacenamiento en pozos de gas y petróleo exhaustos
Se usa en recuperación mejorada. Capacidad limitada: 40 Gt en pozos existentes y 140 Gt en reservas probadas.
Disolución en las profundidades del mar
El océano es absorbedor neto. Intercambio hasta 100 m de prof.
Para evitar que el CO2 suba a la superficie, debe inyectarse debajo de los 1000m.
Disolución en acuíferos profundos.
Contienen salmueras y están separados de los acuíferos de agua potable. El CO2 se diluye en la salmuera como ácido carbónico.
La capacidad no sería un problema, pero sí las perforaciones, el costo de compresión y bombeo, y la construcción del difusor.
Problemas por la distancia a las centrales en los tres casos. Las centrales podrían ubicarse cerca y transmitir la electricidad.
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EMISIONES DE CO2
Acciones para reducirlas (cont.)
Utilización de CO2 en procesos
Presenta algunas limitaciones
La mayor parte del CO se quema o descompone en CO2 y se libera a la atmósfera. La reducción del CO2 en el producto final requiere la misma cantidad de energía que la dada cuando se oxidizó, mercado limitado.
Posibles usos
Producción de metanol (CO2 y H2): tiene sentido si el H2 se produce sin quemar fósiles. El metanol puede usarse en celdas de combustible pero podría utilizarse el H2 directamente. Si el metanol se combustiona se devuelve el CO2.
Producción de urea (CO2 , H2 y N2)
Fotosíntesis: la combustión de biomasa es neutral respecto a las emisiones de CO2. Si se fomenta el crecimiento de biomasa sin quemar, se puede absorber CO2 de la atmósfera (coníferas y selva tropical absorben 6-10 tn de carbono por hectárea al año).
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EMISIONES DE CO2
Acciones para reducirlas (cont.)
Utilización de CO2 para recuperar petróleo y gas natural
Actualmente se utiliza en varios pozos (principalmente en Texas, Colorado y en el mar del Norte) para mejorar la recuperación de petróleo.
Se inyecta por encima de su punto crítico, su viscosidad es menor que la del petróleo que desplaza.
En EE.UU. la mayor parte del CO2 proviene de fuentes naturales (acuíferos subterráneos).
En los pozos de gas puede inyectarse sólo después que está vacío porque se mezcla con el metano.
Desplazamiento a la utilización de fuentes renovables
La biomasa es neutral respecto de las emisiones de CO2.
La utilización de fuentes de energía que no queman carbono eliminaría las emisiones de CO2 (excepto por el uso como materias primas).
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GEIS - ACUERDOS INTERNACIONALES
Acuerdo de París de 2015
Acuerdo global firmado por 195 países (entre ellos Argentina)
Busca limitar la emisión de GEIs para que en 2100, la temperatura media del planeta no supere en 2°C respecto de la etapa preindustrial (ideal 1.5 °C).
Todos los firmantes tienen que limitar sus emisiones. Los países desarrollados además tendrán que movilizar 100.000 millones de USD/año.
Casi todos los países presentaron sus planes pero según la ONU, no serían suficientes (el incremento estaría entre los 2,9 y 3,4 °C).
Para 2030, se necesita que las emisiones de GEI estén en 40 Gt/año. La proyección con los planes presentados da 56 Gt.
Los firmantes se comprometieron a revisar sus programas en 2018.
No hay previstas sanciones.
El pacto entró en vigencia el 4 /11/2016 luego que lo ratificaran 55 países (que suman el 55% de las emisiones).
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GEIS - ACUERDOS INTERNACIONALES
Acuerdo de París de 2015 (cont.)
Compromiso de Argentina (firmado en abril de 2016)
Meta incondicional: reducir en 15% las emisiones de GEIs para 2030
Meta condicional (sujeta a financiamiento internacional): reducción adicional de 15% (total de 30%).
Situación actual de Argentina
Representa menos del 0.9% de las emisiones globales de GEIs (puesto 22 en el ranking mundial), sin embargo la emisión per cápita de un argentino es mayor que la de un europeo.
De acuerdo al inventario de GEI las emisiones están asociadas a:
51 % agro y deforestación (el país está entre los 10 con más desmontes)
23 % producción de energía
12 % transporte
9 % industria
5 % residuos
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POLUCIÓN DEL AGUA
El consumo de fósiles tiene impacto importante en la calidad y uso del agua
Efectos negativos en todo el proceso.
Algunos ejemplos
Drenajes ácidos en minas y lavado del carbón
Desechos sólidos de las centrales eléctricas
Uso de agua y contaminación térmica de las centrales eléctricas
Deposición atmosférica de agentes tóxicos sobre aguas superficiales
Derrames producidos por buques petroleros
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POLUCIÓN DE LA TIERRA
El mayor impacto se debe a las minas de carbón
La minería de superficie deteriora el terreno. Se debe restaurar el paisaje. Los desechos originados en la extracción y procesamiento del carbón tienen impacto negativo.
También afecta la exploración y explotación relacionadas con el gas y petróleo.
40 km
25 km
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CENTRALES ELÉCTRICAS
Centrales térmicas convencionales
Características
Abarcan casi el 70% de la generación de electricidad en el mundo.
Se abastecen con carbón (39.3%), gas natural (22.9%) y derivados del petróleo (4.1%).
Por razones económicas son centralizadas y de gran escala (500-1000 MW) por lo que se invierte gran esfuerzo en mejorar la eficiencia y el control medioambiental .
Funcionan bajo el principio de una máquina térmica convirtiendo la energía química del combustible en energía mecánica (por medio de una turbina a vapor o gas) y luego en energía eléctrica (generador).
Tipos de centrales térmicas convencionales
Turbinas a vapor
Turbinas a gas (ciclo simple)
Ciclos combinados
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CENTRALES TÉRMICAS
Turbinas a vapor
Características principales
Por combustión se produce vapor en la caldera, que luego se expande en la turbina. El trabajo mecánico producido en el eje mueve un generador eléctrico.
Combustibles utilizados: carbón mineral, biomasa, derivados pesados del petróleo (fuel oil, residuos asfálticos, etc.) y gas natural.
Eficiencias térmicas máximas del 40% (33% en promedio).
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CENTRALES TÉRMICAS
Turbinas a gas de ciclo simple
Características principales
Se quema el combustible y los gases resultantes se envían directamente a la turbina de gas que mueve al generador.
Combustibles: gas natural y derivados intermedios del petróleo (diesel oil, gas oil).
Las eficiencias térmicas rondan el 30%. Se puede aprovechar el calor de los gases de escape para mejorar la eficiencia del ciclo o generar calor para otros procesos.
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CENTRALES TÉRMICAS
Ciclo combinado
Características principales
El calor de los gases de escape de la turbina a gas del esquema simple se utiliza para generar vapor que se expande en una turbina a vapor.
Se pueden alcanzar eficiencias del 45% aprox.
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CENTRALES TÉRMICAS
Ciclo combinado con cogeneración
Características principales
Producción simultánea de electricidad (ciclo combinado con alta eficiencia) y calor.
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Emisiones
Si no se aplican medidas específicas, estas centrales pueden emitir sustancias en concentraciones que exceden los estándares y comprometen la salud y el medioambiente.
Ejemplo: central térmica de 1000 MW
Utiliza carbón (28 MJ/Kg): 10% de contenido mineral y 2% de azufre.
Opera 100% del tiempo con eficiencia térmica de 35% (~10.000 t/día).
Si todo el contenido mineral saliera en forma de cenizas y el azufre en forma de SO2, emitiría 320.000 tn/año de partículas y 130.000 tn/año de SO2.
Además emitiría gran cantidad de NOx, productos de combustión incompleta (PIC), CO y metales volátiles.
El operador de la planta debe introducir dispositivos de control para cumplir con los estándares.
Aumentan los costos de capital y de operación
Se generan desechos
Existen dispositivos para controlar: PIC y CO, partículas, S y NOx.
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control de PIC y CO
Es relativamente sencillo controlarlos.
Si el combustible está bien mezclado y se quema en exceso de aire, el hidrocarburo se oxida completamente (resulta CO2 y agua) y las emisiones contienen poco PIC y CO.
Esto además redunda en mejora de la eficiencia, porque el combustible se utiliza mejor.
Pueden ocurrir emisiones durante los arranques y paradas de la central, cuando la temperatura y mezcla combustible no es la óptima (humo negro).
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control de partículas
El carbón, e inclusive los combustibles derivados del petróleo, contienen minerales incombustibles.
En plantas antiguas las partículas quedaban en el fondo de la caldera como cenizas, se quitaban secas o usando agua.
En las plantas modernas que utilizan carbón pulverizado, el 90% de los minerales sale de la caldera como cenizas en suspensión.
Las cenizas contienen metales tóxicos (As, Cd, Mn, Cr, Pb, Se, Hg, etc.) y materia orgánica no volátil (hollín), que son perjudiciales si se liberan a la atmósfera.
Por ello muchos países tienen regulaciones muy estrictas. Por ejemplo en EE.UU. se aplica el estándar BACT.
Tecnologías disponibles:
Precipitador electrostático (BACT)
Filtros de manga
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control de partículas (cont.)
Precipitador electrostático (ESP)
Se basa en cargar eléctricamente las partículas y atraerlas hacia placas conectadas a tierra. El campo eléctrico se produce aplicando tensiones negativas de 20-100 kV a varios conductores situados entre dos placas.
Típicamente formado por cientos de placas.
El costo de la energía generada se incrementa entre 6 y 10%.
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control de partículas (cont.)
Precipitador electrostático (ESP) (cont.)
La eficiencia depende principalmente del área de las placas, caudal volumétrico del gas y velocidad de migración de las partículas (diámetro de las partículas y tensión de las placas).
Baja eficiencia para tamaños pequeños de partículas.
Tamaño de la mitad de la caldera y consume 0.1% de la energía.
A=75500 m2
Q=1260 m3/s
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control de partículas (cont.)
Filtro de manga
Funciona igual que una bolsa de aspiradora.
Puede filtrar cualquier tamaño de partículas, dependiendo del tamaño del poro, pero incrementa la pérdida de carga.
Filtra partículas más pequeñas que el ESP.
Material resistente a la temperatura y corrosión.
Mayor costo de capital y operativo que el ESP.
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control del azufre
El carbón usado en las centrales contiene 0.7-3% de azufre y el petróleo residual 0.7-2%.
Si no se controlan las emisiones el azufre se oxida, dando lugar a SO2 (principal), pequeñas cantidades de SO3, y H2SO4 (ácido sulfúrico), que salen por la chimenea al ambiente.
Existen tres formas de reducir las emisiones
Antes de la combustión
Durante la combustión
Después de la combustión
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control del azufre: antes de la combustión
Lavado del carbón
El carbón contiene minerales como por ejemplo piritas (sulfuros de hierro, níquel, cobre, etc.).
La densidad es mayor a la del carbón y se pueden remover con el lavado.
Además de reducir el contenido de azufre, reduce las cenizas, incrementando el poder calorífico y reduciendo la carga para los filtros.
Se puede remover hasta el 50% de las piritas, que representa el 10-15% del contenido total de azufre.
Se hace en boca de mina. Mejora la calidad pero los desechos pueden contener materiales tóxicos disueltos y puede resultar ácido.
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control del azufre: antes de la combustión (cont.)
Gasificación del carbón
El carbón se tritura y se inyecta a un gasificador, donde en presencia de catalizadores se expone a O2 (pureza > 99%) y vapor de agua:
3C + O2 + H2O => 3CO + H2
Además se genera ácido sulfídrico (H2S), aceites pesados, alquitrán, cenizas, etc. que se eliminan en esta etapa.
El gas de síntesis resultante tiene bajo poder calorífico y no es apto para un ciclo combinado, entonces se pasa por un catalizador para producir metano:
3H2 + CO => CH4 + H2O
Este gas tiene un poder calorífico similar al del GN y puede utilizarse una turbina a gas convencional (IGCC con 40-45% de eficiencia).
Puede producirse H2 por reacción de desplazamiento de fase
CO + H2O => CO2 + H2
El CO2 se separa del H2, puede usarse en una celda de combustible.
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control del azufre: antes de la combustión (cont.)
Desulfuración del petróleo
Las refinerías pueden reducir el contenido de azufre del petróleo crudo casi hasta cualquier nivel deseado.
Suele hacerse mediante reducción/oxidación catalítica (Claus).
Los compuestos de azufre primero se reducen a ácido sulfídrico (H2S), luego se oxida en oxígeno dando dióxido de azufre (SO2) y finalmente se reduce en H2S para obtener azufre elemental (S).
El azufre es un subproducto importante de las refinerías y se utiliza en la producción de ácido sulfúrico.
Aún con el aprovechamiento del azufre, el combustible con bajo S es más caro. Para las centrales es más barato comprar un combustible con bajo S que remover el SO2 de los gases de combustión.
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Control del azufre: durante la combustión
Combustión en lecho fluidizado (FBC)
El carbón (u otro sólido) se tritura y se mezcla con piedra caliza, se mantiene suspendido por medio de una corriente de aire y se quema.
Al quemarse, la mezcla se comporta como un fluido y permite la combustión de todo el carbón. La piedra caliza absorbe el azufre y otras impurezas.
Las partículas se separan del gas de salida y se reinyectan. Las partículas finas se eliminan con ESP o bolsa.
La piedra caliza es barata y remueve el 40-60% del azufre. Difícil escalar.
Apropiado para combustibles de baja calidad (carbón no pulverizable, desechos sólidos municipales e industriales, madera, etc.).
https://www.youtube.com/watch?v=cmm5R_km4Kk
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control del azufre: luego de la combustión
Inyección de absorbente
Se realiza en la salida de gases (tope de la caldera) inyectando por ej. CaCO3.
Funciona de manera similar al FBC.
Eficiencias del 50%, que pueden no ser suficientes para plantas nuevas.
Lavado (scrubber) húmedo o seco
Se utiliza un dispositivo adicionalpara inyectar el absorbente (figura).
Uno húmedo puede eliminar el 90-99% del SO2.
Incrementa el costo 10-15%.
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control de óxidos de nitrógeno (NOx)
Tipo de combustible
Carbón y petróleo: producen NOx combustible y térmico
Aproximadamente en partes iguales, miles de ppm.
GN: produce NOx térmico solamente.
Como mucho, la mitad del carbón.
El N orgánico no se puede remover antes de la combustión y el control de emisiones se realiza en las etapas siguientes:
Durante la combustión
Quemador de bajo NOx (LNB)
Después de la combustión
Reducción catalítica selectiva (SCR)
Reducción no-catalítica selectiva (SNCR)
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control de NOx: durante la combustión
Quemador de bajo NOx (LNB)
La formación del NOx es función de la relación aire-combustible en la llama.
La máxima producción de NOx se da cerca de relación aire/combustible que produce la combustión completa u óptima (estequiométrica ~15%).
Se puede disminuir controlando la llama con un quemador especial (LNB)
Su incorporación en calderas existenteses relativamente simple y económica (incrementa costo de electricidad 2-3%).
Con el LNB no se puede eliminar el NOx completamente (reducciones típicas de 30-55%). Los estándares llevan a utilizar dispositivos adicionales.
LNB para carbón
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IMPACTO DE CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
Control de Nox: después de la combustión
Reducción catalítica selectiva (SCR)
Se inyecta amoníaco o urea en un reactor catalítico donde pasan los gases de escape. El NOx se reduce a N2 y H2O por oxidación (300-400°C). La eficacia es del 80-90% .
El 10-20% del amoníaco también escapa, pero la chimenea lo dispersa en las alturas y se mezcla en el aire no resultando perjudicial en la superficie.
Se envenena con las cenizas. Requiere reemplazo frecuente. El costo de la electricidad aumenta 5-10%.
Reducción no-catalítica selectiva (SNCR)
Mayor temperatura (900-1000°C). Utiliza urea en lugar de amoníaco. Es más costoso pero no requiere un catalizador y se puede montar en la pared de la caldera.
La eficacia es del 75-90% y el costo se incrementa 3-4.5%.
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