IV Congreso Anual Conjunto de Asociaciones del Sector Energético y

XII Congreso Anual de la AMEE Acapulco; mayo de 2012

Panel Energías alternas: tecnologías en desarrollo

Captura y confinamiento de carbono

Dr. Francisco Guzmán Instituto Mexicano del Petróleo

Tipos de tecnología Aplicables a la captura, el confinamiento y el aprovechamiento del CO2

CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage)

Temas abordados 1. Descripción 2. Tecnologías emergentes 3. Entorno mundial y aplicación nacional 4. Problemas

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Tecnologías para captura 1. Absorción de CO2 2. Separación de CO2 mediante membranas 3. Separación criogénica de CO2 4. Pre combustión 5. Post combustión 6. Oxy combustión

Tecnologías para almacenamiento

7. Almacenamiento geológico 8. Almacenamiento submarino 9. Monitoreo por métodos sísmicos

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Tecnologías para captura 1. Absorción de CO2 2. Separación de CO2 mediante membranas 3. Separación criogénica de CO2 4. Pre combustión 5. Post combustión 6. Oxy combustión

Tecnologías para almacenamiento

7. Almacenamiento geológico 8. Almacenamiento submarino 9. Monitoreo por métodos sísmicos

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2. Separación de CO2 mediante membranas Descripción

La captura de CO2 con membranas se aplica principalmente a la separación de GN y gases de combustión.

La separación con membranas poliméricas se conoce de hace más de 100 años; su mayor desarrollo industrial es a partir de los años 70.

Se debe a la difusión de los gases a a diferentes velocidades relativas de transporte a través de la estructura de la membrana, permeando en el lado opuesto a una presión menor.

Los componentes con mayor rapidez forman la corriente de permeado; los más lentos forman el rechazo.

Una membrana para uso industrial requiere alta selectividad y elevada permeabilidad. Se logra con membranas asimétricas o compósitas, con dos secciones: una capa densa, no porosa, selectiva; otra de mayor espesor, porosa, de soporte.

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Descripción (cont.) Las membranas pueden ser planas o en fibra hueca, que se arreglan en

un cartucho, de manera análoga a un intercambiador de calor. Desde un punto de vista industrial han tenido éxito como sistemas compactos, alternativos a procesos de separación convencionales, ayudando a generar tecnologías limpias.

Permeador de cartucho en espiral. Permeador de fibras huecas. (Fuente: David Dortmundt, Kishore Doshi, 1999) (Fuente: Li et al, 2004)

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Descripción (cont.)

Se pueden adaptar a diferentes lugares con versatilidad de producción y

pueden combinarse con otros procesos de separación o reacción (tecnologías híbridas).

La tecnología se ha posicionado en la remoción de CO2 del GN por los diversos beneficios.

Requiere pretratamiento para una operación eficiente; entre otros: Eliminación de líquidos; se puede hinchar la membrana y desintegrar. Eliminación de hidrocarburos pesados; forman capa impermeable a los gases. Evitar partículas sólidas que bloquean la superficie.

Las plantas de membranas son más eficientes para corrientes con alta concentración de CO2 que con baja.

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Problemas

1. Las membranas poliméricas para la recuperación de CO2 de gases combustibles están limitadas por: Las elevadas temperaturas de las corrientes (actualmente existen membranas

que trabajan bien a 400°C). La concentración de CO2 de estas corrientes es baja, lo que repercute en el

tamaño de la planta. No son inertes a los diferentes gases contenidas en estas corrientes, lo que

exige pretratamiento. La presión adecuada de operación, que debe ajustarse con un gasto extra de

energía.

2. Una planta híbrida (membranas + endulzamiento con aminas) es adecuado si el primer proceso elimina la mayor cantidad de CO2 y el segundo es un pulimento de la corriente. Sin embargo esta combinación está limitada a plantas de gran tamaño con costos globales de operación compensados por la complejidad de la planta.

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Problemas (cont.)

3. Plastificación a altas presiones por alta absorción de CO2 por la membrana (5-10% peso de CO2 en el polímero). El polímero se hincha, se dilatan las cadenas poliméricas, caída de la temperatura de transición vítrea, aumenta la permeabilidad de los gases y la selectividad es reducida drásticamente. Existen técnicas de tratamiento que disminuyen el fenómeno y el uso de materiales inorgánicos evita la plastificación.

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3. Separación criogénica de CO2 Descripción

La tecnología criogénica se usa en mezclas de gases con diferentes temperaturas de ebullición; al enfriar se separan en fases líquido y vapor.

Los procesos criogénicos separan gases en corrientes muy puras; para el CO2 se puede congelar a 195K y presión atmosférica, o a presión supercrítica, alrededor de 304K y 74 bar, para formar un líquido.

La presión más baja necesaria para recuperar el CO2 es de alrededor de 50 bar y una temperatura alrededor de 216K; sin embargo, para recuperar el 90% de CO2, la presión requerida es de 347 bar.

Las temperaturas criogénicas se obtienen por la evaporación rápida de líquidos volátiles o por la expansión de gases; de esta manera involucra únicamente cambios físicos, el enfriamiento y la licuefacción de gases, así como la destilación y la condensación de mezclas para obtener componentes puros.

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Descripción (cont.)

Se han desarrollado diversos procesos para separar CO2 de gases de combustión por licuefacción; todos incluyen equipo de compresión, intercambio térmico, expansión y separación.

Se obtiene CO2 en fase líquida y una corriente de nitrógeno gaseoso. La eficiencia de captura de CO2 depende principalmente de la presión y la temperatura al final del proceso de expansión. Proceso criogénico de captura de CO2 (CCC). (Fuente: Baxter, L., Baxter, A., & Burt, S.; 2009)

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Tecnologías emergentes El proceso conocido como destilación criogénica se clasifica dentro de

las tecnologías emergentes e identifica como el de mayor potencial a nivel industrial. Combina etapas sucesivas de compresión-expansión y enfriamiento para licuar gases y separarlos por destilación fraccionada. Su desarrollo aún no ha sido viable económicamente.

Es más probable que la separación criogénica para capturar CO2 de gases de combustión se desarrolle como parte de procesos híbridos. Problemas

1. Una desventaja importante es la cantidad de energía requerida para refrigeración, en particular para las corrientes de gas diluido. Además, algunos componentes gaseosos, como agua, deben eliminarse antes de enfriar para evitar obstrucciones.

2. La separación criogénica es comercial para corrientes gaseosas con altas concentraciones de CO2 (> 90%); sin embargo no ha sido utilizada para bajas concentraciones, como los gases de combustión.

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9. Monitoreo del CO2 por métodos sísmicos

Descripción El proceso de almacenamiento debe satisfacer tres objetivos primarios:

a) medir y verificar el volumen de gas inyectado; b) monitoreo de la migración del gas inyectado; c) determinación de los procesos asociados a la inyección del CO2.

El monitoreo permanente del subsuelo garantiza que el CO2 permanece almacenado en el sitio seleccionado para su confinamiento. El entendimiento de los efectos del CO2 en el sistema roca – fluido y el mapeo del frente del CO2 son factores de éxito.

Existen 4 esquemas para monitoreo: mediciones en superficie, mediciones en instalaciones superficiales, mediciones in situ a escala de pozo y mediciones geofísicas en superficie.

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Descripción (cont.) Las mediciones indirectas por métodos geofísicos ofrecen ventajas que

permiten medir el movimiento de fluidos inyectados, cubriendo grandes extensiones. Tres herramientas de superficie son: Sísmica de lapso o 4D. Es la técnica más efectiva para monitorear cambios en la

saturación de fluidos y en la presión de las formaciones. Involucra adquisiciones sísmicas repetidas en el tiempo; exitosa en el monitoreo del avance de fluidos.

Mediciones electromagnéticas. Opción adicional para el monitoreo del avance de los fluidos. Aprovecha que el CO2 es altamente resistivo y puede ser utilizado en confinamientos limitados por acuíferos salinos ligados a zonas altamente conductoras.

Mediciones gravimétricas. El contraste de densidad posterior a la inyección de CO2 se utiliza para definir cambios y movimientos de fluidos.

Los registros geofísicos de pozos representan una herramienta adicional que se utiliza en la evaluación de la distribución vertical de CO2.

Mediciones a escala de pozo mejoran el monitoreo del proceso; p. ej. la sísmica pasiva (microsísmica) detecta tanto la ubicación de la acumulación principal de CO2, como zonas de fracturas en la roca sello.

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Tecnologías emergentes Los principales proyectos de almacenamiento de CO2 con pruebas de

monitoreo sísmico son: Sleipner, proyecto Noruego de almacenamiento en acuífero salino. Weyburn, Canadá; proyecto compartido entre Estados Unidos (CO2 de una

planta en Dakota del Norte) y Canadá (confinamiento en el yacimiento Weyburn). Uno de los proyectos mejor estudiados en cuanto a monitoreo.

In-Salah, Argelia; proyecto de almacenamiento de CO2 (del tratamiento del gas de producción) transportado y reinyectado en el campo Krechba (arena de baja permeabilidad).

Nagaoka, Japón; proyecto de demostración para almacenar CO2 de plantas industriales.

Aplicación de la sísmica de lapso para el monitoreo de CO2. (Fuente: R.D. Benson, 2010)

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Problemas 1. Complejidad del yacimiento. La caracterización geológica y petrofísica

es fundamental para el diseño, modelado y monitoreo de los proyectos de inyección de CO2. Todos los casos deben de ser estudiados de manera particular, es necesario realizar estudios de factibilidad con las características específicas del sitio.

2. Comportamiento del CO2. Es un gas bien conocido y evaluado a condiciones atmosféricas; sin embargo, es necesario realizar trabajo adicional y experimentación a nivel de laboratorio para conocerlo a temperatura y presión de yacimiento, así como su comportamiento en sistemas roca – fluido.

3. Modelos de inversión – interpretación. El monitoreo de yacimientos involucra incorporar de manera simultánea datos sísmicos y datos de producción, de naturaleza y escala diferente. Es necesario mejorar y optimizar los métodos actualmente disponibles para incorporar estos datos en un modelo realista de distribución de fluidos.

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Problemas (cont.) 4. Falta de resolución de los métodos sísmicos. Los datos sísmicos se

utilizan para realizar una cobertura espacial de las zonas de interés, empero existe pérdida de resolución vertical con respecto a la profundidad. Es necesario mejorar la definición vertical de las propiedades, derivados de tomografía sísmica entre pozos, microsísmica y perfiles sísmicos.

5. Monitoreo a condiciones dinámicas. En proyectos de demostración y de aplicación ha surgido la necesidad de estudios detallados del comportamiento de rocas almacenadoras y rocas sello; los cambios de presión por la inyección generan deformación o microfracturamiento, así como pérdida de calidad de la roca sello.

6. Monitoreo efectivo del yacimiento con enfoque integral. La integración de datos de superficie, datos de pozo, datos de instalaciones, así como datos de tipo geofísico, mejorarían los modelos predictivos del comportamiento de CO2 confinado.

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Tecnología EspecialistasM.I. Florentino Murrieta Dr. Esteban RodríguezDra. Claudia de la Paz Zavala

Separación CO2 mediante membranas Dr. Jorge F. Palomeque SantiagoM.I. Florentino Murrieta GuevaraDr. Esteban Rodríguez RodríguezM.C. Jorge Raúl Gasca RamírezDr. Moisés Magdaleno MolinaDr. Ramón Bolado EstandiaDr. David López LópezM.C. Jorge Raúl Gasca RamírezDr. Moisés Magdaleno MolinaDr. J. Manuel Grajales NishimuraDr. Andrés E. Moctezuma Berthier

Almacenamiento submarino Dr. Ascención Romero MartínezMonitoreo - Sísmica 4D Dr. Fco. Fernando Castrejón Vácio

Absorción de CO2

Separación CO2 criogénica

Pre combustión

Post combustión

Oxy combustión

Almacenamiento geológico

Captura y confinamiento de carbono

Gracias IV Congreso Anual Conjunto de

Asociaciones del Sector Energético y XII Congreso Anual de la AMEE

Acapulco; mayo de 2012