Estudio termodinámico de sistemas ricos en CO2 en condiciones de interés para la tecnología CCS

Uno de los mecanismos que posibilitan la vida en la Tierra es el denominado efecto invernadero que posibilita mantener la temperatura media del planeta en márgenes muy uniformes y compatibles con las formas actuales de vida. El aumento en la concentración de los gases de efecto invernadero, denominados GEI – gases de efecto invernadero – ocasiona una mayor opacidad infrarroja de la atmósfera, con lo que se produce un efecto invernadero intensificado. Si los niveles de estos compuestos ascienden demasiado, un calentamiento excesivo puede trastornar las pautas naturales del clima. Las concentraciones de GEI tales como dióxido de carbono, metano y óxido nitroso han aumentado, sobre todo, por la utilización de combustibles fósiles, la deforestación y otras actividades humanas, promovidas por el crecimiento económico y demográfico y son en la actualidad muy superiores a los valores preindustriales. Este efecto tiene como consecuencia un aumento de la temperatura terrestre y del nivel de los océanos e incide directamente sobre el calentamiento global y el cambio climático. Así pues, la reducción de las emisiones de CO2 producido por actividades humanas, CO2 antropogénico, es un tema de vital importancia que atañe a todos los seres vivos del planeta.Una de las estrategias más efectivas para reducir las emisiones de CO2 atmosférico es la tecnología CCS (Carbon Capture and Storage). Esta tecnología consiste en la captura, acondicionamiento, transporte, inyección y almacenamiento geológico del CO2 producido por la actividad humana, más del 95% del cual procede del sector energético. Esta tecnología se menciona de forma explícita en las Estrategias Europeas 2020 y 2050 como uno de los métodos que debe contribuir a alcanzar el objetivo de reducir las emisiones europeas de GEI en un 80-95% para 2050. También se cita en la “Estrategia Española de Ciencia y Tecnología y de Innovación 2013-2020”.La captura del CO2 se puede lograr por postcombustión, precombustión u oxicombustión. Su acondicionamiento tras la captura, puede llevarse a cabo mediante deshidratación, separación de gases no condensables y/o licuefacción, compresión y bombeo. El transporte se realiza generalmente por tubería, y el CO2 antropogénico finalmente se inyecta y se almacena en yacimientos de petróleo o de gas en explotación o agotados, yacimientos mineros agotados o formaciones salinas profundas. Sin embargo, el CO2 transportado no es puro, proviene de muchas posibles fuentes, tales como centrales eléctricas de carbón, refinerías, reformado de asfalto, plantas de gas o de acero y cementeras. Por ello, el flujo de CO2 contiene diversas impurezas, como: N2, O2, Ar, CH4, CO, SOx, NOx, H2S, H2, etc., en diferentes concentraciones. La presencia y el tipo de impurezas afectan a las propiedades químico físicas del fluido, y como consecuencia al diseño y a la operación de los equipos necesarios en la tecnología CCS. Además, en las diferentes etapas de la tecnología se cubren rangos de presión y temperatura muy amplios, ya que se transporta y se almacena en fase densa y/o supercrítica. En consecuencia, las propiedades químico físicas de la corriente de CO2 antropogénico difieren de forma importante según su procedencia, y se modifican de forma más importante aún durante el proceso. Además del conocimiento de las propiedades volumétricas y del equilibrio líquido vapor del fluido a transportar y almacenar, la determinación de la velocidad del sonido, c, también es de gran interés durante la fase de trasnporte y de almacenamiento.En esta Tesis se estudian dos impurezas no condensables que puede contenter el CO2 antropogénico: el metano y el monóxido de carbono. El primero proviene, entre otros, de procesos derivados de la eliminación de los gases ácidos (H2S y/o CO2) en el gas natural y el CO, es habitual de procesos como la producción de petróleo. Tanto este compuesto como el metano pueden ser subproductos de la captura de pre-combustión en centrales energéticas. Los trabajos que conforman esta Tesis recogen la puesta a punto de dos instalaciones experimentales, una para la medida de la densidad y otra para la determinación de velocidades del sonido, tanto en fluidos puros como en mezclas. Asímismo, proporcionan datos experimentales presión – densidad – temperatura - composición, P-ρ-T-x_(CO_2 ) y del ELV de los sistemas CO2+CH4 y CO2+CO en composiciones, presiones y temperaturas de interés para la tecnología CCS. Mediante la comparación de estos datos con los calculados con las EoS PR, PC – SAFT y GERG – 2008 se comprueba la capacidad predictiva de estas ecuaciones de estado en los rangos estudiados en este trabajo. A través del concepto de función de Krichevskii y de la teoría de Kirdwood-Buff se muestra el estudio teórico realizado sobre las interacciones existentes entre CO2/CH4 ó CO cerca del punto crítico. Por último, mediante los valores experimentales de densidad y ELV y los calculados de viscosidad, se determina la influencia del CO y del CH4 sobre diversos parámetros que afectan al transporte, inyección y almacenamiento en la tecnología CCS. El análisis de estos parámetros es necesario para la construcción y operación seguras de los ceoductos, así como, para el almacenamiento fiable del CO2 antropogénico a largo plazo en formaciones geológicas.