7.1 Clasificación de Formaciones Geológicas para almacenamiento de CO2
Conceptos Geológicos Generales
Existen tres tipos de rocas apropiadas para utilizarlas como futuros almacenamientos de CO2: Sedimentarias, Ígneas y Metamórficas ( National Energy
Technology Laboratory, 2010). Cada tipo tiene diferentes potenciales dependiendo de los criterios necesitados para un almacenamiento efectivo, los cuales son:
Capacidad, la cual depende de la porosidad o aberturas de la roca, es decir, de los espacios entre poros.
Inyectabilidad, depende de la permeabilidad, es decir, de la facilidad relativa con la cual un gas o líquido puede moverse entre los poros de la roca.
Integridad, se explica por la capacidad de poder retener el líquido o gas inyectado, de forma que el fluido no pueda moverse libremente hacia lugares de menos presión, pudiendo ser la superficie misma.
Para poder decidir que sitio es apropiado para ser utilizado como almacenamiento geológico se debe tener información detallada de las características del lugar que puedan asegurar un comportamiento bajo los 3 criterios antes mencionados. También se deben tomar como factores críticos la factibilidad económica de la ubicación del sitio considerando la distancia hacia la fuente de CO2, la profundidad que se debe
alcanzar para hacer efectiva la inyección del CO2, el volumen que puede almacenar tal
sitio, los mecanismos de atrapado y la capacidad del sello, y finalmente, el mismo proceso de almacenar el CO2.
Las rocas sedimentarias son categorizadas las más apropiadas para el almacenamiento de CO2, debido a su capacidad de espacio entre poros. Las formaciones
ígneas son más abundantes que las sedimentarias, siendo atractivas para almacenaje por tener mayor volumen pero no han sido probadas suficientemente. Las capas de carbón son consideradas rocas sedimentarias-metamórficas y que tiene la propiedad de adsorber el CO2 directamente en su superficie, a diferencia de las dos opciones anteriores, que
ocupaban el espacio entre poros. Rocas Sedimentarias
Estas formaciones se obtienen mediante fragmentos de rocas que ya existían, y que son transportadas manteniéndose juntas debido a agentes naturales, como también por precipitaciones químicas o secreciones por organismos. El proceso de sedimentación ocurre a través del tiempo debido a eventos climáticos o erosión de la roca, donde los fragmentos producidos son transportados mediante el agua, viento, hielo y la gravedad para ser depositadas como arenas y limos mezclados con materiales orgánicos en lo que finalmente se llaman formaciones sedimentarias. Dos clases de rocas sedimentarias son apropiadas: Clásticas y Carbonatadas, y cada una de ellas tiene diferentes tipos de sistemas de sedimentación (National Energy Technology Laboratory, 2010):
Clásticas, como las rocas areniscas, son depositadas como arenas, limos y gravas en playas (planos de marea, rincones y barreras), canales de ríos (fluvial), en lagunas y pantanos, en dunas del desierto (eólicos), en lagos (lacustres) o en abanicos submarinos fuera de las costas (turbiditas). Estos depósitos forman abanicos, barras de arena, deltas, trenzados y corrientes serpenteadas, o dunas, cada una teniendo distintos patrones de deposición y una única arquitectura interna que controla el flujo del fluido en el cuerpo del depósito.
Rocas Carbonatadas, son producto de la interacción entre sistemas biológicos y químicos (e.g. corales formados en arrecifes, bancos de conchas de ostras o como precipitaciones químicas). Depósitos carbonatados existen en el océano y dependen de la profundidad y luz solar, que deja crecer a los organismos crecer. Rocas Ígneas
Estas rocas se forman por la solidificación del magma enfriado. Tienen una composición única. Existen dos categorías para estas rocas:
Intrusivas (plutónicas), formadas por el enfriamiento y solidificación del magma al interior de la Tierra. Estas rocas pueden ser fracturadas y tienen baja permeabilidad y porosidad, haciéndola inapropiada para ser usada como almacenamiento geológico.
Extrusivas (volcánicas), se forman cuando el magma se enfría rápidamente, más cerca o en la misma superficie de la Tierra. Poseen alta porosidad, en particular las formaciones basálticas ofrecen oportunidades para ser usadas en el almacenaje de CO2.
Rocas Metamórficas
Las formaciones metamórficas se forman con rocas pre-existentes (ígneas, sedimentarias u otras metamórficas). Estas rocas no son recomendables para ser usadas como almacenamiento geológico debido a su baja permeabilidad y baja porosidad.
7.2 Propiedades y factores para análisis del sitio a usar para almacenamiento geológico ( ) ̇
Donde es la permeabilidad absoluta, permeabilidad horizontal, es el coeficiente de movilidad del CO2, la viscocidad dínamica del CO2,
es el coeficiente de inyectividad del CO2, el flujo de CO2 por inyector es
depósito, ̇ es el flujo de CO2 a inyectar y es el número de inyectores requerido
(Heddle, Herzog, & Klett, 2003).
Número de inyectores respecto a la propiedades físico-químicas fijas (Heddle, Herzog, & Klett, 2003): ADTC CO2 INY Q MOB ka Uc h (m) delta P (Mpa) QCO2/iny (ton/día) n° Inyectores A 5,72 275 22 0,08 171 8,4 8216,208 2 B 5,72 275 22 0,08 171 8,4 8216,208 1 C 5,72 275 22 0,08 171 8,4 8216,208 6 D 5,72 275 22 0,08 171 8,4 8216,208 5 E 5,72 275 22 0,08 171 8,4 8216,208 6 F 5,72 275 22 0,08 171 8,4 8216,208 3 G 5,72 275 22 0,08 171 8,4 8216,208 5 H 5,72 275 22 0,08 171 8,4 8216,208 2 I 5,72 275 22 0,08 171 8,4 8216,208 4
7.3. Propiedades y factores para dimensionar sistema de ductos para almacenamiento oceánico.
Se asume un flujo turbulento como caso más conservador., y donde e es la rugosidad del material igual a 0,000457 (acero-carbono). Por simplicidad, se asume un constante de 12,6 MPa (Heddle, Herzog, & Klett, 2003).
Según el documento “Pipeline Material Selection, Corrosion Protection and Monitoring Philosophy” (E.On, 2012), los ductos pueden ser de material acero-carbono siendo la opción más económica para el transporte de CO2. No obstante, existen requisitos
adicionales como la mitigación de la corrosión interna. Usando un grado de resistencia alto, el gasoducto podría ser construido en tierra y en las profundidades del océano. 7.4 Almacenamiento Terrestre
Esta forma de almacenamiento se basa en dos tipos, la carbonización mineral y usos industriales (IPCC, IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, 2005).
Carbonatación mineral
En términos generales, esta técnica se basa en la fijación del CO2 en carbonatos
inorgánicos. La carbonatación mineral se basa en la reacción del CO2 con materiales
portantes de óxidos metálicos para formar carbonatos insolubles, siendo el calcio y el magnesio los metales más atractivos. En naturaleza tal reacción se llama erosión de silicato y ocurre a una escala temporal tipo geológica.
Los materiales convenientes pueden ser rocas abundantes en silicato y minerales ricos en magnesio y fierro (serpentina y olivine), o residuos alcalinos industriales a pequeña escala, tales como escoria de producción de acero o cenizas volátiles. En el caso de las rocas con silicatos, la carbonatación puede ser tanto ex-situ, realizándose en una planta de tratamiento química después de la explotación minera correspondiente y de pre- tratamiento de los silicatos, o también in-situ, inyectando el CO2 en formaciones
geológicas ricas en silicato o en acuíferos alcalinos. Los residuos industriales pueden ser carbonatados en la misma planta en donde se producen. El proceso de carbonatación in situ es equivalente a la técnica de almacenamiento geológico mediante el mecanismo atrapado mineral.
En términos de balance de masa y energía, la carbonatación mineral se puede esquematizar como se observa en la Figura 82, donde el esquema explica la implementación de carbonatación mineral como almacenamiento de CO2 a una central
eléctrica con combustible fósil. Con respecto al mismo esquema para una central eléctrica con captura y el almacenamiento geológico u oceánico, hay diferencias pueden ser observadas, donde se destaca el flujo de masa adicional que corresponde a los materiales portantes de óxido metálico; este flujo está presente tanto en la entrada como en la salida, bajo la forma de carbonatos, sílices, minerales que reaccionaron y un poco de agua en la entrada, que es parte de la reacción. La carbonatación in-situ es una
operación similar al realizado en el almacenamiento geológico, mientras que la carbonatación ex-situ implica las fases de tratamiento que requieren a la entrada energía adicional que son difíciles de compensar con la energía exotérmica producida por la reacción de carbonatación. Dado las semejanzas de la carbonatación in-situ con almacenaje geológico, en adelante se centrará en la carbonatación mineral ex-situ. Con la actual tecnología se debe suministrar una considerable cantidad de energía para que ocurra el proceso de carbonatación mineral, la cual se distribuye en: (i) la preparación de los reactivos sólidos, incluyendo la explotación minera, el transporte, el pulido y la activación cuando sea necesario; (ii) el proceso, incluyendo la energía equivalente asociada al uso, al reciclaje y a las pérdidas posibles de de los materiales agregados y de componentes catalizadores; (iii) la disposición de carbonatos y de los subproductos. La reacción química relacionada con esta técnica se muestra a continuación:
Donde M es el óxido metálico, que puede ser calcio, magnesio o hierro, entre otros. Así el carbonato se forma (MCO3) y dado que es una reacción exotérmica, libera energía
cercana a los 100Kj por mol de CO2, que dependerá del tipo de óxido metálico que se
use.
Como se había mencionado anteriormente, es importante considerar el proceso relacionado con la carbonatación mineral:
Explotación minera y recuperación del mineral
Pre-tratamiento del mineral
Pre-procesamiento de CO2
Ingeniería de la reacción de carbonatación
Además de todos los tipos de almacenamientos de CO2, es también posible
utilizar el CO2 en procesos industriales, siendo parte de cadenas de procesos o ciclos de
vida. Dependiendo del tipo de uso, variara el periodo y cantidad de CO2 a utilizar. Para
que sea factible esta aplicación como método de mitigación de CO2 se deben cumplir
requerimientos:
El uso del CO2 capturado no debe substituir la fuente de CO2, es decir no debe
ser un proceso intermedio que finalmente emita el CO2 a la atmósfera. Por
ejemplo, reemplazar el CO2 utilizándolo en un horno de cal o en un proceso de
fermentación no produce una reducción neta de las emisiones de CO2, mientras
que por otra parte el CO2 almacenado en depósitos geológicos naturales, llevaría
a una reducción neta de las emisiones de CO2.
Los compuestos producidos usando el CO2 capturado deben tener un periodo de
vida extenso, antes de ser expulsado al ambiente por degradación u otro proceso. Cuando se quiere usar del CO2 capturado, en un proceso industrial, se debe tener
en cuenta todo el proceso de ciclo de vida para poder estimar si se está reduciendo realmente las emisiones de CO2, y cuanto se está mitigando.
El esquema, explica los flujos de usos industriales del CO2 proveniente de la
Esquema de flujos del uso de CO2 en procesos industriales:
El dióxido de carbono es un gas industrial valioso, con una gran cantidad de aplicaciones que incluyan la producción de productos químicos, por ejemplo la urea, sistemas de refrigeración, agentes inertes para el acondicionamiento de alimentos, bebidas, sistemas de soldadura, extintores, procesos del tratamiento de aguas, horticultura, precipitación de carbonato de calcio para la industria del papel y muchos otros usos a baja escala. Es por esto que como consecuencia, hay extensa literatura técnica que ocupa el CO2 en sus procesos. Gran parte del dióxido de carbono se utiliza
en las plantas sintéticas de fertilizante y de generación de hidrógeno, usando un sistema de limpieza, aplicando solventes químicos o físicos. Otra práctica industrial que aprovecha el CO2 es la fermentación de azúcar (dextrosa) para producir alcohol etílico.
El CO2 se puede utilizar en procesos que involucran hornos de cal, tales como la
producción de carbonato de sodio y en el proceso Kraft que reduce la pulpa de madera. Como también es usado para la limpieza de elementos no requeridos que vienen en el gas natural.
ANEXO 8. CENTROIDE PONDERADO POR POTENCIA POR CENTRAL