CapturO2: tecnología innovadora para un sector cerámico sostenible

Durante las últimas décadas, la reducción de las emisiones de CO₂, uno de los gases de efecto invernadero causantes del calentamiento global del planeta, es uno de los mayores desafíos medioambientales para el conjunto de la sociedad, y en particular para el sector industrial. Este gas contribuye en más del 60% al calentamiento global debido al gran volumen de emisiones de CO₂ que se produce. Entre las diferentes alternativas que existen para reducir sus emisiones, los procesos de captura de CO₂ comienzan a establecerse como poderosas herramientas para reducir estas emisiones en el sector industrial.

De acuerdo con los planes de la Agencia Internacional de la Energía en captura y almacenamiento de CO₂ (IEA CCS), la evolución debe ser clara: los procesos de captura deben crecer desde las decenas de Mt de 2020, hasta los miles de Mt en 2050 para poder cumplir con los acuerdos de Paris y así evitar consecuencias irreversibles sobre nuestro planeta. Sin embargo, su mayor desarrollo e implantación presentan enormes retos de futuro relacionados con la eficiencia de los procesos actuales de captura.

En el caso concreto de la Comunidad Valenciana y según el último “Balance de emisiones de gases de efecto invernadero del año 2022 de las instalaciones de la Comunitat Valenciana”, el sector cerámico es, de los sectores afectados por la normativa europea del comercio de emisiones, el mayor emisor de CO₂ de la Comunidad Valenciana con 2,49 millones de toneladas de CO₂eq, seguido por la generación eléctrica (1,78 mill ton), el sector del cemento (1,37 mill ton) y el de refino de petróleo (1,24 mill ton). Además, hay que tener en cuenta si nos atenemos a las estadísticas, que más de la mitad de las emisiones de CO₂ a la atmósfera procede de fuentes muy diluidas, esto es, con concentraciones por debajo del 2%.

En esta situación, muchos de los procesos de captura de CO₂ actualmente vigentes o prometedores fracasan o son prácticamente inviables por su altísimo coste energético si se quieren alcanzar eficiencias razonables. De hecho, en la Comunidad Valenciana, la mayor parte de las emisiones industriales de CO₂ afectadas por la normativa del comercio de emisiones proviene de las empresas fabricantes de baldosas cerámicas. La concentración de CO₂ en las emisiones industriales se sitúa entre el 1 y el 5%, y además los gases contienen otros elementos, cuya presencia dificulta los procesos de captura de CO₂ y su posterior utilización mediante metodologías más o menos asentadas tecnológicamente y maduras como pueden ser la absorción con aminas (MEA), membranas, adsorbentes sólidos, o diferentes métodos de destilación como la destilación criogénica.

Innovación

En este contexto, el proyecto CapturO2 tiene como interés principal atacar este problema aportando soluciones viables para el sector cerámico de la Comunidad Valenciana permitiendo, en un futuro, extrapolar esta tecnología a otros sectores del entramado industrial. CapturO2 es un proyecto desarrollado en colaboración entre el Instituto de Tecnología Cerámica (ITC-AICE) y el Instituto Tecnológico del Plástico (AIMPLAS), que cuenta con la financiación del Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) a través de los fondos FEDER de Desarrollo Regional. Además, recibe apoyo técnico de varias empresas de la Comunidad Valenciana que tienen interés en estudiar las posibilidades de captura de CO₂ en sus instalaciones industriales.

En concreto, el proyecto CapturO2 se enmarca en el ámbito de la transición energética y la economía circular, promoviendo la descarbonización de la economía a través de la captura, separación y reutilización del CO₂ de las emisiones industriales del tejido empresarial de la Comunidad Valenciana, y en particular del sector cerámico para producción de baldosas y fritas cerámicas.

El proyecto tiene un carácter horizontal y busca promover áreas de investigación traslacionales y conectar ramas, desarrollando nuevas líneas de aplicación a nivel industrial.

El proyecto CapturO2 aborda un estudio para definir el mejor método de captura, así como los materiales y membranas más adecuados para la separación del CO₂ presente en los gases de combustión de los diferentes equipos del proceso de fabricación cerámica. Concretamente, el proyecto se centra en secaderos por atomización, secaderos de baldosas prensadas, hornos de cocción de baldosas cerámicas, hornos de fusión de fritas y en un horno de calcinación de hidróxido de calcio.  La Figura 1 esquematiza los principales objetivos y desafíos del proyecto CapturO2.

Figura 1. Principales objetivos y desafíos del proyecto CAPTURO_2.

Las fases técnicas de este proyecto se han centrado en:

1. Análisis del funcionamiento de los principales equipos emisores de CO₂ dentro del sector cerámico, lo que ha permitido obtener una caracterización completa de la composición de las corrientes.

2. Estudio de las opciones de acondicionamiento de la corriente, eliminando otros gases o partículas presentes para alcanzar las especificaciones requeridas por el proveedor de la tecnología de captura.

3. Validación en laboratorio de los procesos involucrados en el sistema de captura.

4. Simulación de las corrientes analizadas mediante software específico que permitirá abordar una toma de decisiones bien fundamentada.

5. Estudiar la viabilidad de la valorización del CO₂ capturado, para favorecer su reutilización y fomentar así la simbiosis industrial.

Análisis y caracterización de los equipos industriales

En CapturO2 se ha realizado el análisis y caracterización experimental de corrientes gaseosas de distintos equipos industriales lo cual ha permitido obtener información acerca del funcionamiento y los factores principales que afectan a su consumo. Con ello, por tanto, es posible establecer líneas de acción para optimizar el proceso y favorecer así la captura de CO₂.

Para la realización de estas mediciones se ha contado con diferentes equipos, como son analizadores de gases de combustión, tubos de Pitot y manómetros para la determinación del caudal de gases, así como un espectrofotómetro de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR). Estas mediciones se obtuvieron en las corrientes residuales de diferentes equipos de proceso y los datos obtenidos fueron analizados y tratados posteriormente para definir cuál sería el pretratamiento necesario a realizar en la corriente de gases antes de la entrada al prototipo de captura.

Figura 2. Medidas experimentales en entorno industrial realizadas en Cales La Plana 

Los equipos de captura de CO₂ requieren que la corriente de entrada de gases esté completamente limpia de partículas, vapor de agua, o elementos ácidos, si los hubiera, de modo que es muy importante realizar un tratamiento previo a los gases para eliminar todos estos compuestos y facilitar así el buen funcionamiento del sistema de captura de CO₂, y alargar al máximo su vida útil. 

Análisis de los procesos y propuesta de modificación 

Los resultados obtenidos en el análisis y caracterización de las corrientes gaseosas procedentes de los equipos industriales son la base para el análisis de las posibles acciones a realizar en los equipos de proceso, con vistas a facilitar la captura del CO₂. 

Hay que tener en cuenta que, factores como el aumento de la concentración de CO₂ en la corriente de gases tratada o una presión más elevada facilitarían su captura.

Algunas de las posibles modificaciones a realizar en los equipos y que podrían facilitar esta captura son: 

• Minimizar la posible entrada de aire ambiente de dilución de los gases de chimenea. Algunos de los equipos de proceso disponen de una dilución con aire ambiente de los gases generados en el proceso para reducir su temperatura y así evitar daños en el ventilador de extracción. Reducir la entrada de aire ambiente aumentaría la concentración de CO₂ en los gases de salida.

• Modificar los parámetros de combustión, ya que cuando mayor es el aire en exceso empleado en la combustión del gas natural, menor es la concentración de CO₂ en los humos generados.

• Minimización y depuración de contaminantes, debido a que algunos contaminantes afectan a la eficiencia de los sistemas de captura y reducen la vida útil de estos.

Figura 3. Mediciones experimentales en un horno de cocción de baldosas cerámicas

Validación en laboratorio de los procesos involucrados 

En los últimos años, se está avanzando en la investigación de técnicas de captura de CO₂ que faciliten su implementación en entornos industriales en los que se encuentran las dificultades anteriormente mencionadas. Las nuevas investigaciones y desarrollos apuntan, sobre todo, a minimizar costes y gastos en la captura de CO₂procedente de fuentes muy diluidas. Y no hay una única línea válida, sino que hay varias en cartera con resultados muy prometedores. Por una parte, tenemos el casi interminable campo de los sorbentes sólidos. Se están desarrollando y testeando nuevos materiales adsorbentes muy concretos capaces de tener una gran eficiencia y selectividad a concentraciones muy bajas, por debajo del 1-2%. Son, por ejemplo, algunos tipos de MOFs (“Metal Organic Frameworks”) o zeolitas, no tan eficientes para corrientes diluidas, pero mucho más económicas y fáciles de producir.

En el proyecto se han seleccionado diferentes materiales inorgánicos como representantes de cada familia de materiales adsorbentes de CO₂, fácilmente escalables para su posterior integración en el proceso de captura de CO₂ en las corrientes de instalaciones industriales. Los materiales seleccionados incluyen materiales de las familias de los Metal Organic Frameworks (MOF), sílices y zeolitas con disponibilidad comercial. Además, en el contexto del proyecto, se han testeado nuevos materiales avanzados disruptivos para captura de CO₂ basados en líquidos iónicos sostenibles. 

El estudio de las capacidades de absorción/desorción de CO₂ en estos materiales se lleva a cabo en AIMPLAS utilizando un analizador de adsorción volumétrica (Figura 4). El equipo nos permite evaluar y determinar tanto las superficies específicas del material, así como isotermas de adsorción/desorción de CO₂ o determinación de la selectividad entre diferentes gases.

Figura 4. Equipo para medidas de adsorción de CO₂ de AIMPLAS para análisis distintos materiales.

En el marco del proyecto CapturO2 y como continuación, se construirá un sistema híbrido de captura formado por un VPTSA y un módulo de membrana, que permitirá validar la captura de CO₂ considerando diferentes casuísticas. Así, por un lado, se validan las membranas de fibra hueca comerciales y por otro, nuevas membranas preparadas para separación de CO₂ tipo flat sheet en el marco del proyecto IVACE Matenergy, que se validarán en el módulo de membranas acoplado a cromatografía de gases, permitiendo establecer la configuración adecuada para maximizar la captura de CO₂. 

Figura 5. Equipo para validación de membranas de separación de CO₂.

Simulación y diseño del proceso de Captura de CO₂

Dentro de las diferentes tecnologías que existen en la adsorción física, se ha demostrado que la VPSA (Vacuum-Pressure Swing Adsorption) proporciona buenos resultados a nivel de captura con consumos menores de energía. La TSA (Temperature Swing Adsorption) tiene la ventaja de no utilizar grandes gradientes de presión, lo que reduce el trabajo realizado por bombas o compresores, sin embargo, hacer una integración energética eficiente, además de los tiempos necesarios para llegar a las condiciones del proceso, hacen que los costes se disparen.

Se ha demostrado así, que los sistemas de presión, como una PSA (Pressure Swing Adsorption) o VSA (Vacuum Swing Adsorption)  representan una mejor opción debido a su simplicidad de aplicación con un amplio rango de temperatura y presión, menor demanda energética y menor coste de inversión. Así, el consumo energético para procesos del tipo absorción con aminas se encuentran entre 330-340kWh/ton CO₂ mientras que los de ciclo tipo PSA que usan carbón activado o zeolitas como adsorbentes tienen un consumo energético puede ser de 160—180 kWh/CO₂.

En el contexto del proyecto, se evaluaron membranas de fibra hueca y membranas flat sheet para el diseño y la prospección de un prototipo de captura de CO₂. Para ello se determinó en primer lugar teóricamente, utilizando el programa informático (ASPEN PLUS®) con la integración de un modelo de permeación de gases en Visual Basic, el área relativa de membrana necesaria en función del corte de pureza requerido (esquematizado en figura 6).

Figura 6. Relación del corte con la pureza y área relativa de membrana.

Teniendo en cuenta estos resultados teóricos, se realizó posteriormente un estudio del número de membranas necesarias en un sistema híbrido para captura de CO₂, estableciendo procesos de recirculación, permitiendo así que procesos con selectividades bajas obtengan un permeado en CO₂ suficientemente puro para usos posteriores (Figura 7). 

Figura 7. Sistema de membranas con recirculación del estudio realizado en CapturO2.

Por tanto, dentro del proyecto CapturO₂, una de las soluciones que puede considerarse más viable a corto y medio plazo es el empleo de los prometedores sistemas híbridos, los cuales combinan diferentes tipos de tecnologías de captura tradicionales conectándolas, ya sea en serie o en paralelo, para tratar de sacar el máximo de cada una de ellas y conseguir efectos sinérgicos entre ellas.

Figura 8. Validación en laboratorio proceso captura de CO₂ utilizando prototipo piloto de AIMPLAS.   

El proyecto cuenta con una página web en las que se puede encontrar toda la información relativa al mismo.

Artículo de: Mónica Viciano (AIMPLAS), Javier Vedri (ITC), Ana Mezquita (ITC), Adolfo Benedito (AIMPLAS), Nairim Torrealba (AMPLAS), Daniela Ramírez (AIMPLAS), Salvador Ferrer (ITC).