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Procesos con base en hidrocarburos
# Presentación
En la actualidad, aproximadamente el 78 % de la energía primaria del mundo procede de los combustibles fósiles (IEA, 2020c). Como se ha mostrado con anterioridad, aunque el impulso por la descarbonización de toda la economía disminuirá el uso de combustibles fósiles, estos seguirán desempeñando un papel fundamental en el sistema energético mundial en un futuro descarbonizado. Asimismo, las tecnologías que tradicionalmente se han asociado a la producción de electricidad de origen fósil, como la captura y almacenamiento de carbono (CCS), serán una opción importante para lograr las cero emisiones netas (NZE) debido a su capacidad de utilizarse en la extracción de CO2 del ecosistema. La producción de combustibles neutros y negativos en carbono será la base de una red de NZE.
El TSC de procesos con base en hidrocarburos se centra en la evaluación y la promoción de tecnologías en las siguientes áreas:
Producción de fuentes de energía con baja emisión de carbono a partir de hidrocarburos;
procesos para convertir el hidrógeno en otros combustibles con base en hidrógeno, como el amoniaco;
conversión del CO2 en combustibles, y
CCS a partir de fuentes industriales y de la atmósfera (es decir, DAC).
En un intento de lograr las NZE, una mirada holística a la producción de las AEC y los hidrocarburos sintéticos bajos en carbono debe incluir su producción a partir de hidrocarburos en los que las emisiones resultantes se capturen de alguna manera. Como se destacó con anterioridad, más del 98 % de la producción actual específica de hidrógeno proviene de combustibles fósiles (IEA, 2019b). La combinación de la captura de carbono con estos procesos con base en combustibles fósiles ofrece una vía de producción de hidrógeno baja en carbono a corto plazo. El hidrógeno que se produce con métodos de baja o nula emisión de carbono es también un ingrediente clave para la producción de combustibles de hidrocarburos sintéticos (por ejemplo, el gas natural sintético [GNS]) y de sustancias químicas que también funcionan como las AEC (por ejemplo, amoniaco, metanol). El otro ingrediente clave para obtener hidrocarburos sintéticos es el CO2. El CO2 capturado puede reutilizarse para hacer combustibles que puedan volver a insertarse en la infraestructura existente. El uso de energía baja en carbono para generar los llamados combustibles líquidos y gaseosos “de sustitución directa”, que son los compatibles con las infraestructuras existentes que se basan en los fósiles, ayudaría a resolver los desafíos sobre el almacenamiento de energía y aceleraría la integración de las AEC limpias, como el hidrógeno, el amoniaco y los hidrocarburos sintéticos.
Un desafío clave que se asocia a estas AEC es el coste de producción. Por ejemplo, aunque la producción de hidrógeno es un proceso industrial muy extendido en la actualidad, la mayor parte de la producción de este gas se realiza mediante procesos con base en el carbono de carga intensa y en los fósiles. En la actualidad, la integración de la CCS en estos procesos casi duplica los costes de producción de hidrógeno.
# Preguntas clave de la investigación
Durante el transcurso de la LCRI, el TSC pretende abordar las siguientes preguntas de investigación.
¿Cuáles son los costes netos y las ventajas de los sistemas energéticos que emplean lo siguiente?
Producción de combustibles sintéticos (a menudo denominados e-combustibles).
Producción de hidrógeno a partir de materias primas de hidrocarburos (por ejemplo, el hidrógeno procedente del reformado con vapor de metano [SMR] con CCS, la pirólisis de metano).
Producción de combustibles sin carbono a partir de materias primas de hidrocarburos (por ejemplo, amoniaco).
CCS y DAC para el suministro o la reutilización del CO2.
¿Cuál es el potencial tecnoeconómico de desplazar el suministro de combustible fósil existente por combustibles o sustancias químicas con bajas emisiones de carbono producidos a partir de hidrógeno con bajo nivel de carbono o CO2 capturado de procesos industriales o de la atmósfera?
Para las aplicaciones enumeradas con anterioridad, ¿cuáles son los impactos de costes y el potencial de reducción de emisiones en comparación con las vías alternativas de descarbonización?
¿Cuáles son los principales obstáculos para la implementación de las vías de producción de hidrógeno bajo en carbono y con base en los combustibles fósiles a corto plazo? ¿En qué condiciones es más favorable la readaptación de la capacidad existente de producción de hidrógeno de origen fósil con la CCS que la implementación de la capacidad de producción de hidrógeno electrolítico con bajas emisiones de carbono?
¿Cuál es el potencial de implementar tasas de captura de carbono de más del 90 % en aplicaciones industriales y de producción de hidrógeno? ¿Cuáles son los impactos en el coste, los factores operativos y la reducción de emisiones si aumentan las tasas de captura?
# Esfuerzos de la investigación
Se espera que los proyectos desarrollados en el TSC produzcan análisis e informes de ingeniería que incluyan información sobre costes, rendimiento y emisiones netas de CO2. Ambos enfoques, el del análisis tecnoeconómico y el del ciclo de vida, se utilizarán para ayudar a las partes interesadas a identificar y priorizar las opciones tecnológicas.
La conversión de moléculas para crear hidrocarburos sintéticos requiere la integración del proceso entre una variedad de tecnologías como los reactores de desplazamiento de gas en agua y los reformadores, entre otros. La integración de las tecnologías de conversión molecular a la CCS o la electrólisis es fundamental para comprender el potencial de estos combustibles de hidrocarburos neutros en carbono.
El TSC pretende centrarse en la implementación de la CCS para producir las AEC. Los ejemplos incluyen la producción de hidrógeno a partir de SMR con CCS. Aunque este proceso utiliza la adsorción por oscilación de presión para separar el hidrógeno y el CO2 y aumentar la pureza del hidrógeno producido, se ha trabajado poco en la captura de carbono para reducir las emisiones globales de CO2 de los procesos. La investigación potencial incluye evaluaciones del coste y la energía necesarios para implementar CCS para capturar más del 90 % de CO2.
# Metas de la investigación
El objetivo general de investigación de este TSC es analizar y demostrar sistemas energéticos que proporcionen vías para adoptar combustibles con cero emisiones netas de carbono a partir de tecnologías con base en hidrocarburos. Se prevé que las siguientes áreas tecnológicas proporcionen las opciones más alentadoras hacia este objetivo:
desarrollar y demostrar la producción de las AEC con bajas emisiones de carbono (por ejemplo, el hidrógeno, el amoniaco); y
desarrollar y demostrar la producción de los combustibles de hidrocarburos con bajas emisiones de carbono (por ejemplo, el GNS, los hidrocarburos líquidos de Fischer-Tropsch, el metanol).
Aparte de los proyectos piloto, otras opciones de investigación son las evaluaciones del ciclo de vida, tanto de los costes como de la energía, que se basan en gran medida en modelos o análisis informáticos. Existen varios prototipos y proyectos de demostración activos en todo el mundo que podrían evaluarse para poder realizar comparaciones precisas de las distintas tecnologías. La LCRI puede ayudar a dirigir este esfuerzo, recopilando la información global más actualizada sobre estos sistemas energéticos con baja o nula emisión de carbono.
# Meta 1: Apoyar la integración tecnológica a gran escala
Estrategia 1: Comprender el estado de desarrollo actual y formular un análisis de las brechas para la integración e implementación futura de la tecnología
- Acción: Evaluar las tecnologías comerciales que producen las AEC y los hidrocarburos sintéticos (por ejemplo, hidrógeno, amoniaco, metanol, hidrocarburos líquidos de Fischer-Tropsch y metano).
Estrategia 2: Definir las mediciones de coste, emisiones y rendimiento y evaluar el papel de los procesos con base en hidrocarburos en comparación con otras tecnologías.
Acción: Llevar a cabo una evaluación del ciclo de vida para convertir los hidrocarburos en las AEC con y sin CCS para su uso en la industria de la energía.
Acción: Llevar a cabo una evaluación del ciclo de vida para convertir CO2 en hidrocarburos sintéticos.
# Meta 2: Identificar y dirigir los esfuerzos para acelerar la implementación tecnológica
Estrategia 1: Desarrollar estándares y métodos de evaluación para comparar las vías tecnológicas
- Acción: Recopilar información sobre las actividades globales en curso e identificar las mediciones clave de rendimiento, coste y reducción de emisiones.
Estrategia 2: Llevar a cabo estudios de ingeniería
- Acción: Identificar proyectos de I+D relevantes (por ejemplo, estudios económicos y de ingeniería adicionales, proyectos a escala de laboratorio o piloto, u otras actividades similares).
# Papel previsto de la LCRI en el desarrollo tecnológico
Habitualmente, el TSC evalúa el panorama de las tecnologías comerciales y en desarrollo que sean importantes para los objetivos de la investigación. El TSC ha organizado las tecnologías según el papel previsto de la LCRI en el desarrollo tecnológico (consulte la figura 17). El TSC trata de equilibrar muchas consideraciones a la hora de elegir el nivel de actividad previsto. Entre estas consideraciones se encuentran el período de implementación previsto, el nivel de esfuerzo, el enfoque y la inversión de otras organizaciones o iniciativas que tienen objetivos similares, el papel potencial de apoyo a diversas industrias o sectores en las estrategias de descarbonización y la cantidad de información relevante disponible para realizar análisis exhaustivos, entre otras. Durante la iniciativa, el TSC pretende actualizar estas posiciones con base en los resultados de la investigación de las actividades en curso del TSC y en los resultados de la modelización de la economía energética producidos por el TSC de análisis del sistema integrado de energía.
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# Áreas de investigación conjuntas con otros subcomités técnicos
A continuación se enumeran las áreas en las que será necesaria la investigación conjunta con otros TSC y la integración de sus actividades.
Aspectos de la salud, la seguridad y medioambientales de la fabricación, el almacenamiento y el transporte de hidrógeno, amoniaco y otras AEC.
Tecnologías para el almacenamiento del hidrógeno.
Integración con la generación de energía y otros usos finales de gran volumen.
Combinación del hidrógeno con la infraestructura del gas natural frente a los sistemas descentralizados.