1. Química y Medioambiente: Desarrollo sostenible
De cómo la investigación en tecnología química contribuye a mejorar el estado del medioambiente y favorece el desarrollo sostenible.
Teresa Valdés-Solís
Instituto Nacional del Carbón

2. Un cambio de mentalidad
Del carbón como combustible sucio y contaminante y la química como fuente de contaminación del medio ambiente
A las tecnologías químicas que nos ayudan a proteger el medio ambiente y a hacer un uso más sostenible de los recursos naturales

3. Desarrollo sostenible
Social
Medioambiental
Económico
Equitativo
Viable
Soportable
SOSTENIBLE
Satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades
Informe Brutland, 1987
No consumir de más
No contaminar de más
Implica

4. El INCAR, la química y el medioambiente
Materiales para aplicaciones estructurales, energéticas y medioambientales
Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón
El Instituto Nacional del Carbón se dedicó inicialmente a la investigación científica y tecnológica para el uso y aplicación del carbón, especialmente el asturiano.
Líneas de investigación actuales

5. Consumo mundial de energía primaria
 BP Statistical Review of World Energy, Junio 2014 bp.com/statisticalreview
Petróleo
Gas Natural
Hidráulica
Carbón
Nuclear
Renovables
El carbón, presente y futuro

6. El carbón, presente y futuro
Electricidad 85%
Siderurgia 12%
Industria 1%
Otros usos 2%
Consumo de carbón en España por sectores de utilización, 2013
International Energy Agency: Coal Information 2014 Edition
Datos oficiales del M. Industria, Energía y Turismo http://www.minetur.gob.es/energia/balances/Balances/LibrosEnergia/Energia_en_espana_2013.pdf
Consumo mundial de carbón por sectores de utilización, 2012
Electricidad 69%
Siderurgia 12%
Industria 13%
Otros usos 6%

7. Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón

8. 200 mm
Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón
90s-2000s
Grupos de Procesos Energéticos y Reducción de emisiones (PREM); Materiales Porosos Funcionales (MPF); …
Materiales para aplicaciones […] medioambientales
SCR
NH3
Filtro electrostático
Chimenea
Caldera
Unidad SCR
Unidad de desulfuración
Calentador de aire

9. Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón
2000s- actualidad
Sistema captura de partículas
Sistema de desulfuración
“Lavado” del carbón
Inyección sorbentes
Influencia Sistemas SCR
Hg – ceniza volante
Sorbentes regenerables fin de ciclo
Hg 2+
Grupo de Contaminación por metales

10. Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón
2000s- actualidad
Uno de los problemas medioambientales más importantes
Emisiones de CO2 por sector en 2011, IEA 2013
En 2013 se emitieron 36 Gton CO2

11. Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón
 del calentamiento global
 de que este calentamiento está producido
principalmente por el CO2 emitido por la
actividad humana
Hay evidencias y consenso científico
 Evidencias y efectos potenciales del cambio climático en Asturias, 2009
https://www.asturias.es/medioambiente/publicaciones/ficheros/LIBRO%20COMPLETO_ISBN_Evidencias.pdf

12. Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón
Ahorro y eficiencia energética
Cambio a combustibles con menos carbono (co-utilización)
Expansión de fuentes de energía renovables y biocombustibles
Hidrógeno como combustible alternativo
Captura y almacenamiento de CO2
Grupos de Captura de CO2; PREM; MPF; Microondas y carbones para aplicaciones tecnológicas(MCAT); …

13. Utilización de procesos más eficientes : gasificación Eliminación de contaminantes más sencilla
C + H2O → CO + H2
C + O2 + N2 → CO2 + N2
Combustión convencional
Gasificación
h~36%
h~45-50%
H2
carbón
O2
H2O
Gasificador
Eliminación contaminantes
Aire/O2
CO+H2
CO2+H2
CO2
Combustor
~
~
Precombustión

14. Gasificador de lecho fluidizado
Composición típica gas obtenido
H2: 20%
CO: 15%
CH4: 3%
N2: 35%
CO2: 23%
C + H2O = CO + H2
Además…
Co-gasificación con captura in situ por inyección de CaO
Grupo de Procesos Energéticos y Reducción de emisiones
Co-utilización de carbón y biomasa para la generación de energía e hidrógeno.
Sustituir 1% de carbón por 1% de biomasa en una central IGCC supone una reducción de CO2 de ~2%

15. Oxi co-combustión de carbón y biomasa
Reactor de flujo en arrastre
0
20
40
60
80
100
0 50 100
Conversión en aire (%)
Conversión oxychar 21 (%)
SMK
Antracitas
C. Bituminosos
bajos volátiles
C. Bituminosos altos
y medios volátiles
Oxicombustión vs combustión
O2/N2 O2/CO2

16. Evitar que las emisiones de CO2 procedentes de la quema de combustibles
fósiles acaben en la atmósfera
10-15% CO2
Resto N2
CAPTURA
90-100% CO2
TRANSPORTE
ALMACENAMIENTO
Postcombustión

17. Alternativas
Precombustión
Postcombustión
Combustión y captura simultáneas
Adsorbentes
Ciclos de Calcinación- carbonatación
Materiales para aplicaciones […] medioambientales
Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón

18. Grupo de Captura de CO2
Ciclos de carbonatación - calcinación
CaO (s)+ CO2 + N2  CaCO3 (s) + N2
CaCO3 (s)  CaO (s)+ CO2
30 kWt
Actualmente es la alternativa tecnológicamente más desarrollada y se considera económicamente viable
1 MWt
Planta de captura de CO2 de La Pereda

19. Grupo de Captura de CO2
Planta de captura de CO2 de la Robla
300 kW térmicos
Más de 900 h de experimentos
CaO + CO2 CaCO3+ calor
Biomasa + O2 CO2 + H2O + calor
 


20. El problema del CO2
2013: 36 Gt CO2
1 t CO2
10 m

21. El problema del CO2
Emisiones diarias de CO2
2013: TREINTA Y SEIS MIL MILLONES DE TONELADAS DE CO2

22. El problema del CO2
En España en 2012: 343 millones de toneladas de CO2
2500m

23. Usos del CO2
Usado industrialmente
Producido
2011: 4.5 Mt
Desarrollar nuevos procesos
~3 Mt CO2

24. Emisiones de CO2 por sector en 2011, IEA 2013
oReducir el consumo de los vehículos
oBiocombustibles
oHidrógeno
Puede producirse a partir de cualquier fuente primaria.
Tan limpio como el proceso por el que se genera.
Hidrógeno + pila de combustible: mucha mayor eficiencia que los motores de combustión
El hidrógeno
Gas natural
Biomasa
Eólica
Geotérmica
Solar fotovoltaica
Solar térmica
Reformadores
Ciclos termoquímicos
Electrolizadores
H2
Captura y secuestro de CO2
Carbón
IGCC
¿Nuclear?
CO2<0
Bio-metanol vía syngas
Reformado
a bordo
Síntesis de hidrógeno a partir de CH4 asistida por microondas
Grupos de MPF; MCAT

25. Reformado in situ
Más eficiente que el uso
directo del biocombustible
CH3OH + H2O CO2 + 3H2  
C2H5OH + 3 H2O 2 CO2 + 6 H2  
Reformado
1 cm

26. Grupo de MPF
1 cm

27. El INCAR, la química y el medioambiente
Materiales para aplicaciones estructurales, energéticas y medioambientales
Tecnologías limpias para la conversión y el uso del carbón
El Instituto Nacional del Carbón se dedicó inicialmente a la investigación científica y tecnológica para el uso y aplicación del carbón, especialmente el asturiano.
Líneas de investigación actuales

28. 1987
1992
Cumbre de Río
Agenda 21
1997
Protocolo de Kyoto
2005
Entrada en vigor del Protocolo de Kyoto
2014
1989
Protocolo de Montreal
(OZONO)
2001
Estrategia Europea de DS
Revisión EEDS Estrategia CC
Noviembre
5° Informe IPCC
Desarrollo sostenible
Satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades
Informe Brutland, 1987
Energía y MA
•Cambio climático y energía limpia
•Transporte sostenible
•Consumo y producción sostenibles
Recursos naturales y salud
•Conservación y gestión de recursos naturales
•Salud pública
Otros
•Integración social, demografía y flujos migratorios
•Pobreza en el mundo y retos del desarrollo sostenible
Estrategia Europea de Desarrollo Sostenible

29. Materiales para aplicaciones […] medioambientales
Grupos de PrEM, Adsorption and Environmental Protection on Porous Solids (AdPOR), MPF, Mat. carbonosos
42
35
6
8
6
4
T. Aguas
T. Gases
I. Farmacéutica
Otros
Alimentación
Automoción
Carbón activo: 1.2 Mt/ año
MATERIALES DE CARBONO
Biomasa
Hidrocarburos/ Carbón
Compuestos químicos
Muchos y todos distintos
Materiales porosos

30. Materiales para aplicaciones […] medioambientales
Grupos de PrEM, Adsorption and Environmental Protection on Porous Solids (AdPOR), MPF, Mat. carbonosos
Reutilización de biomasa residual
Adsorbentes de diseño para aplicaciones específicas
Propiedades mejoradas - multifuncionales
Distintas aplicaciones
Propiedades modulables
Tendencias en materiales porosos
¿Por qué la biomasa?
Renovable Bajo coste Permite la síntesis de materiales ad hoc
cáscara almendra
huesos aceituna
huesos cereza
café postconsumo
serrín de pino

31. Materiales para aplicaciones […] medioambientales
Grupo de PrEM
Biomasa
Adsorbente: Pellets de café
Sumidero de CO2
Disponibilidad
Barata
Fuente renovable de C
Estabilidad
Bajo coste
Fácil regeneración
Tamaño de partícula controlado
Tamaño de poro controlado
Química superficial controlada
CO2

32. Materiales para aplicaciones […] medioambientales
Control de la porosidad
Microporos
w< 2 nm
Mesoporos
2 < w < 50 nm
Macroporos
w > 50 nm
0.7 nm 1.4 nm 1.8 nm 2.0 nm 3.2 nm 2.0 nm
50.0 nm
Control de la morfología y tamaño de partícula
Control de las propiedades químicas
Grupos de PrEM, AdPOR, MPF, MCAT, etc.

33. Materiales para aplicaciones […] medioambientales
Materiales clásicos: carbones activos
Materiales de nueva generación
Diseño ad hoc
Procesos mejorados
Multifuncionales
Facilidad de manejo
Grupos de MPF, AdPOR
Adsorción + separación del medio
Biocatalizadores
Destrucción del contaminante
Materiales no carbonosos
MOFs
Zeolitas
Nanoestructuras inorgánicas

34. Materiales para aplicaciones […] medioambientales
Estables y reutilizables
Fotocatalizadores
Grupos de AdPOR, MPF
Catalizadores para procesos avanzados de oxidación
CoFe2O4 en carbono
Reacción con H2O2

35. A modo de conclusión
Agradecimientos
Grupo de Captura de CO2
Adsorption and Environmental protection on porous solids Group
Energy Processes and
Emission Reduction Group

36. Química y Medioambiente: Desarrollo sostenible
Muchas gracias por su atención
Teresa Valdés-Solís
tvaldes@incar.csic.es
@tvaldessolis
www.cienciaypresencia.blogspot.com.es