Desarrollo de sistemas híbridos de captura de CO2: Evaluación tecno-económica de soluciones innovadoras

Abstract

Para cumplir con los acuerdos climáticos internacionales, es crucial reducir las emisiones de CO2, lo que plantea un desafío debido a la dependencia mundial actual de los combustibles fósiles para el suministro de energía. Con el aumento constante de la población, la implementación de tecnologías de energía renovable sigue siendo insuficiente para abastecer toda la demanda de energía. El carbón, predominante en la producción de electricidad, contribuye al incremento de las emisiones de CO2, siendo contrario a los objetivos climáticos. Sin embargo, las tecnologías de Captura, Utilización y Almacenamiento de Carbono (CCUS, por sus siglas en inglés) emergen como una solución prometedora, permitiendo reducir significativamente las emisiones de CO2 mientras se mantiene el uso de combustibles fósiles y renovables, como solución alternativa a estos. Esta tesis se centra en la problemática relativa a la elevada dependencia de combustibles fósiles y las consecuentes emisiones de CO2, abordando la necesidad de implementar y optimizar tecnologías de captura de CO2, especialmente en contextos donde la transición a energías renovables no es inmediata ni suficiente. El objetivo general de la presente tesis es analizar, conceptualizar, diseñar y simular diferentes sistemas de captura de CO2, hibridando e integrando tecnologías cuando sea posible, para mejorar los indicadores tecno-económicos de las soluciones disponibles actualmente en el mercado. La metodología seguida en esta investigación incluye la identificación de sectores industriales con altas emisiones de CO2 y un scouting tecnológico exhaustivo para evaluar las tecnologías más novedosas. Se exploran y analizan posibles hibridaciones de sistemas de captura de CO2, combinando tecnologías de oxicombustión y postcombustión. Además, se estudia la tecnología de metanación del CO2, evaluando diferentes catalizadores y condiciones operativas. Finalmente, se integra la metanación con los sistemas de captura, modelando y simulando estas integraciones para evaluar su viabilidad técnica y económica. El estudio concluye que el reacondicionamiento de plantas de combustión a gran escala mediante oxicombustión, utilizando alternativas a la destilación criogénica para la producción de oxígeno, no es viable a corto o medio plazo debido a la inviabilidad de los sistemas de membranas poliméricas a gran escala y la alta demanda energética de los sistemas electrolíticos. Sin embargo, la adquisición directa de oxígeno, favorecida por el aumento de proyectos de electrólisis, podría ser una solución futura viable. La hibridación de sistemas de membranas poliméricas selectivas de CO2 con el proceso Calcium-Looping (CaL) ha demostrado ser efectiva para minimizar los indicadores de captura y la penalización energética, mientras que la hibridación mediante membranas poliméricas para la producción de OEA, para llevar a cabo una oxicombustión parcial, resulta en una mejora de los indicadores técnicos, pero no económicos. Por otro lado, la valorización del CO2 capturado mediante su metanación a CH4 no solo produce un producto valioso, sino que también libera energía térmica que puede ser integrada en procesos adyacentes, como la hibridación en procesos de absorción química, donde la energía térmica necesaria procede de la metanación, mejorando todos los indicadores tecno-económicos. Las tecnologías de Captura, Utilización y Almacenamiento de Carbono (CCUS) ofrecen una solución prometedora para reducir las emisiones de CO2. A pesar de los desafíos asociados con las tecnologías actuales, la investigación sugiere que la hibridación y la integración de diferentes sistemas pueden mejorar significativamente los indicadores tecno-económicos. Se recomienda continuar investigando las membranas poliméricas y los sistemas de metanación y otros productos derivados del CO2, así como explorar nuevas configuraciones y solventes para optimizar los procesos de captura. La estructura de la tesis es la siguiente: se presentan inicialmente las contribuciones a la investigación, incluyendo los artículos indexados y los congresos internacionales en los que el autor ha participado. En el primer capítulo, dedicado a la introducción, se analiza el estado del arte y se clasifican las diferentes tecnologías de captura de CO2, así como su posible revalorización tras la captura a CH4. El segundo capítulo presenta los antecedentes y las oportunidades de investigación detectadas, junto con los objetivos de la tesis. El tercer capítulo recopila todos los artículos científicos indexados relacionados con la tesis, ordenados por fecha de publicación. El cuarto capítulo discute los resultados obtenidos a través del análisis de las contribuciones científicas y estudios adicionales no publicados. Finalmente, se presentan las conclusiones de la investigación y las propuestas para trabajos futuros.

Tesis embargada (tesis por compendio de publicaciones)