Claves en la selección de tecnología de captura de CO2: ejemplo industrial de una acería.

Las aminas son una de las opciones más consolidadas para la captura en postcombustión, gracias a su madurez y a su capacidad para trabajar con concentraciones moderadas de CO₂. Ahora bien, en corrientes más concentradas, como las que pueden encontrarse en determinadas configuraciones de una acería, la combinación de PSA y criogenia también puede resultar competitiva, incluso cuando requiere una inversión inicial considerablemente mayor.

Para entender por qué ocurre esto, en este artículo se comparan ambas alternativas mediante un ejemplo industrial representativo. El caso permite ver cómo el coste de la energía, la operación de los hornos y el estado en el que se entrega el CO₂ influyen en la decisión tecnológica.

1. El punto de partida es la corriente que se quiere tratar

Antes de comparar tecnologías, es necesario conocer el gas que va a alimentar la planta de captura. La concentración de CO₂ es una de las primeras variables que se analizan, pero también hay que considerar el caudal, la presión, la temperatura, la humedad y los contaminantes presentes. Estas condiciones determinan qué tratamiento necesita la corriente y qué esfuerzo energético será necesario para separar el CO₂.

En una acería, además, el caudal disponible puede cambiar a lo largo del día. Los hornos no tienen por qué operar al mismo tiempo y pueden alternarse periodos de producción, espera y parada. Esto implica que una planta dimensionada para tratar el caudal máximo pasará parte de su vida útil trabajando a carga parcial, con el efecto que ello tiene sobre su eficiencia y las toneladas que consigue capturar al año.

A partir de ahí, conviene analizar cómo se integraría cada alternativa en la instalación. ¿Hay vapor disponible a un coste competitivo? ¿Sería necesario generarlo en una caldera dedicada? ¿Qué precio de electricidad puede asumir el proyecto? ¿Y en qué condiciones necesita recibir el CO₂ el usuario final? Las respuestas permiten pasar de una comparación genérica a una evaluación que tenga sentido para ese emplazamiento.

2. Cómo funciona cada alternativa

2.1. Captura con aminas

En una planta de aminas, el gas entra en contacto con un disolvente que absorbe químicamente el CO₂. La disolución rica en CO₂ pasa después a una columna de desorción, donde se aporta calor para liberar el gas y regenerar el disolvente, que vuelve al proceso de absorción.

Esta tecnología permite alcanzar habitualmente eficiencias de captura del 80 al 95 % y purezas superiores al 99 % en base seca. Su experiencia industrial es una ventaja a la hora de diseñar y operar una planta, aunque la regeneración del disolvente requiere un aporte continuo de energía térmica. Por eso, la disponibilidad, el coste y la huella del vapor tienen tanto peso en el resultado del proyecto.

2.2. Captura mediante PSA y criogenia

En la configuración analizada, la separación criogénica se combina con secado y una etapa de preconcentración mediante PSA. Esta etapa aumenta la proporción de CO₂ antes del enfriamiento, reduciendo el volumen de gas que debe tratarse a baja temperatura. La separación posterior aprovecha las diferencias entre las propiedades físicas de los componentes de la corriente.

El consumo energético se concentra en la electricidad necesaria para la compresión y la refrigeración. A cambio, el proceso permite obtener directamente CO₂ líquido con una pureza superior al 99,9 %, lo que puede ser una ventaja si el destino del producto requiere su transporte en ese estado.

Su encaje depende especialmente de la concentración de entrada y del precio eléctrico. También exige un diseño cuidadoso para evitar la formación de sólidos durante el enfriamiento y, en el ejemplo considerado, requiere más inversión y superficie que la alternativa con aminas.

Tabla 1 Comparación técnica de las alternativas.

3. Comparación en un caso representativo de una acería

Para ejemplificar estas diferencias, se considera una corriente de gases de combustión con una concentración de CO₂ superior al 25 % en volumen, un caudal máximo conjunto del orden de 80.000 Nm³/h y 8.000 horas anuales de operación. Se trata de valores representativos y redondeados, utilizados para construir un escenario de análisis, sin asociarlo a una instalación concreta.

El objetivo es capturar aproximadamente 285.000 toneladas de CO₂ al año, con una eficiencia del 90 % y, sobre esta base, se comparan una planta de aminas y una planta de PSA con criogenia, considerando un precio del vapor de 40 €/MWh y un precio de la electricidad de 50 €/MWh.

Tabla 2 Resultados principales del ejemplo industrial.

Tal y como se observa, la planta de aminas presenta una inversión inicial menor frente a la alternativa con PSA y criogenia. También ocupa menos espacio, con una superficie estimada de 2.000 m² frente a 5.600 m². Si la decisión se tomase únicamente a partir de estos dos parámetros, las aminas estarían claramente mejor posicionadas. Sin embargo, al incorporar la operación de la planta, el resultado cambia. El coste nivelado estimado se sitúa en 85,5 €/t CO₂ para las aminas y en 55,1 €/t CO₂ para PSA y criogenia. Es decir, bajo las condiciones del ejemplo, la alternativa que requiere más inversión consigue un menor coste por tonelada capturada.

La explicación está principalmente en el consumo energético. La planta de aminas necesita 29,1 MW térmicos y 2,0 MW eléctricos, mientras que la alternativa criogénica requiere 12,2 MW eléctricos y no necesita el aporte de vapor del proceso de aminas. Con los precios considerados, el coste de ese suministro térmico tiene un peso suficiente para que la menor inversión de las aminas no se traduzca en un menor coste de captura.

4. El precio de la energía puede cambiar el resultado

El ejemplo muestra hasta qué punto la elección tecnológica depende de la energía disponible en cada emplazamiento. Los costes anteriores corresponden a un escenario concreto y pueden cambiar de forma significativa si se modifican los precios relativos del vapor y de la electricidad.

En el caso de las aminas, disponer de vapor excedentario o de calor residual aprovechable puede mejorar mucho su posición. Por el contrario, si es necesario instalar una caldera dedicada o comprar vapor a un precio elevado, la regeneración del disolvente pasa a ser una carga importante dentro de los costes de operación.

En PSA y criogenia, la exposición se concentra en el precio eléctrico. Una corriente con una proporción elevada de CO₂ facilita la preconcentración y la separación posterior, pero la ventaja económica también depende de cuánto cuesta comprimir y enfriar el gas. Si aumenta el precio de la electricidad, la diferencia frente a las aminas se reduce y puede llegar a invertirse cuando estas cuentan con una buena integración térmica.

Por tanto, para valorar el CAPEX hay que entender qué costes de operación lo acompañarán durante la vida útil de la instalación. A mayores, debe considerarse la huella de la energía utilizada, porque también condiciona las emisiones asociadas al CO₂ que se obtiene.

5. El destino del CO₂ forma parte de la comparación

Hay otra diferencia relevante en el caso planteado: las dos plantas capturan una cantidad similar de CO₂, pero lo entregan en estados distintos. La planta de aminas produce CO₂ gaseoso, mientras que la alternativa criogénica lo obtiene en fase líquida.

Si el CO₂ se va a consumir en una instalación cercana y puede enviarse por tubería en las condiciones requeridas, el producto gaseoso puede ser suficiente. En cambio, si la logística exige CO₂ líquido, la planta de aminas necesitará incorporar el acondicionamiento correspondiente, con su inversión, consumo eléctrico y ocupación de espacio adicionales.

Esto implica que, antes de utilizar los costes del ejemplo para seleccionar una tecnología, hay que llevar ambas opciones hasta un mismo producto final. La pureza, la presión, el estado físico y las necesidades de almacenamiento o transporte deben quedar definidos dentro del alcance de la comparación. De lo contrario, parte del coste puede estar quedando fuera de una de las alternativas.

6. La operación de los hornos también influye en el coste

En el ejemplo considerado, la planta de aminas puede reducir su carga hasta aproximadamente el 40 % de la capacidad nominal, mientras que la alternativa criogénica necesita mantenerse alrededor del 50 %. Aunque la diferencia pueda parecer pequeña, puede tener consecuencias relevantes cuando el caudal de los hornos varía con frecuencia.

Si el gas disponible cae por debajo de la carga mínima de la unidad, puede ser necesario detener la captura, recircular parte de la corriente o trabajar en condiciones menos eficientes. Esto reduce las toneladas capturadas a lo largo del año y puede elevar el coste por tonelada respecto al previsto para una operación estable.

Una opción para mejorar la respuesta es dividir la capacidad en dos trenes paralelos. Así, cuando disminuye el caudal, puede mantenerse un solo tren en servicio y arrancar el segundo cuando la producción de gases aumenta. Esta configuración amplía el rango operativo, aunque también supone duplicar determinados equipos, ocupar más espacio y aumentar la complejidad del control y el mantenimiento.

La conveniencia de esa inversión depende de cuánto mejora la captura anual. Para evaluarla, es necesario trabajar con el perfil horario de los focos y la planificación de las paradas. Una estimación basada únicamente en el caudal máximo y las horas anuales puede pasar por alto periodos en los que la unidad no podrá operar como se había previsto.

7. Qué condiciones favorecen a cada tecnología

Con todo lo anterior, las aminas suelen tener un mejor encaje cuando la concentración de CO₂ es moderada o baja, existe una fuente térmica competitiva y se da prioridad a la madurez y a la experiencia operativa. Si además el CO₂ puede utilizarse localmente en fase gas, la instalación evita la necesidad de añadir una etapa de licuefacción. En el caso analizado, la menor superficie y la posibilidad de reducir algo más la carga también juegan a su favor.

La combinación de PSA y criogenia resulta especialmente interesante cuando la corriente ya presenta una concentración elevada de CO₂, la electricidad tiene un precio adecuado y el proyecto necesita un producto líquido de alta pureza. En esas condiciones, el menor coste operativo puede compensar la inversión adicional. Para que esa ventaja se materialice, también debe haber espacio suficiente y un perfil de operación compatible con el rango de carga de la planta.

Estas condiciones sirven para orientar el análisis inicial. La selección final requiere comprobar cómo se combinan en cada proyecto, porque una ventaja energética puede perder parte de su valor si la unidad pasa demasiadas horas fuera de su rango de operación o si el acondicionamiento del producto no responde a las necesidades del comprador.

8. Conclusión

La comparación entre aminas y PSA con criogenia muestra por qué una menor inversión inicial no asegura un menor coste de captura. En el ejemplo de la acería, la combinación de una corriente con más del 25 % de CO₂ y electricidad a 50 €/MWh permite que PSA y criogenia alcance un coste estimado de 55,1 €/t CO₂, frente a los 85,5 €/t CO₂ de las aminas con vapor a 40 €/MWh.

El resultado está ligado a esas condiciones. La disponibilidad de calor a menor coste, un precio eléctrico diferente o un perfil de operación más variable pueden desplazar la decisión hacia otra configuración. También puede hacerlo el destino del CO₂, ya que el coste de obtener un producto gaseoso no cubre necesariamente las mismas necesidades que el de producirlo líquido.

En AtlantHy trabajamos en este tipo de análisis combinando ingeniería y modelización económica con las condiciones reales de suministro y uso del CO₂. Evaluamos cómo se integra cada tecnología en la instalación, qué energía necesita y cómo responde a la operación prevista, para que la selección tenga en cuenta tanto el coste de captura como las condiciones en las que el producto debe llegar a su destino.