ES3039758T3

ES3039758T3 - Method for removing and immobilizing carbon dioxide from the atmosphere and / or an exhaust gas

Info

Publication number: ES3039758T3
Application number: ES23707356T
Authority: ES
Inventors: Marek Fulde
Original assignee: Fld Tech GmbH
Current assignee: Fld Tech GmbH
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2023-02-24
Publication date: 2025-10-24
Anticipated expiration: 2043-02-24
Also published as: US20250187913A1; DK4482790T3; WO2023161404A1; PL4482790T3; EP4482790B1; EP4482790A1

Abstract

La invención se refiere a un método para eliminar e inmovilizar dióxido de carbono (102) de la atmósfera y/o un gas residual (113), que comprende los pasos de: a) convertir el dióxido de carbono (102) de la atmósfera y/o un gas residual (113) en biomasa (100) mediante fotosíntesis, preferiblemente en superficies agrícolas, en particular en un invernadero (1); b) llevar a cabo una reacción de biogás, en la que la biomasa (100) producida en el paso a) se convierte en biogás (101), que contiene metano (103) y dióxido de carbono (102), en particular en un reactor de biogás (2); c) separar el metano (103) del biogás obtenido (101); d) dividir el metano (103) en carbono (106) e hidrógeno (110), obteniéndose el carbono (106) como un sólido; e) recolectar el carbono obtenido (106); f) depositar el carbono obtenido (106); y g) hacer reaccionar el dióxido de carbono (102) del biogás con el hidrógeno (110) obtenido en la etapa d) para formar una mezcla de hidrocarburos (114). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para eliminar e inmovilizar dióxido de carbono de la atmósfera y/o de un gas de escape

La invención se refiere a un procedimiento para eliminar e inmovilizar dióxido de carbono (CO<2>) de la atmósfera y/o de un gas de escape. En este sentido, el CO<2>se absorbe del aire y/o de un gas de escape y se convierte en carbono sólido, que se almacena permanentemente.

Para reducir el CO<2>en la atmósfera, los expertos están familiarizados con los llamados procedimientos de "carbon dioxide capture and storage, captura y almacenamiento de dióxido de carbono" (CAC). El efecto invernadero se conoce desde hace unos 200 años (J.B. Fourier), se debatió en la primera Conferencia Mundial sobre el Clima, celebrada en Ginebra en 1979. La eliminación de la atmósfera y la inmovilización de gases de efecto invernadero, en particular el CO<2>, también se denomina secuestro y comprende la separación de CO<2>de fuentes industriales y centrales eléctricas, su transporte a un lugar de almacenamiento y, finalmente, el almacenamiento permanente del CO<2>, en donde éste se aísla de la atmósfera.

Para evitar las emisiones de CO<2>, el CO<2>se separa en procedimientos CCS conocidos y el gas se almacena a continuación. Cuando se utiliza este procedimiento, primero se eliminan las partículas y los compuestos de azufre del gas de escape que se va a tratar. En la siguiente etapa, el CO<2>se separa del gas de escape, se comprime, dado el caso se transporta y se almacena bajo tierra. Es controvertido si se produce a este respecto una unión permanente del CO<2>a los minerales o si es probable que el gas se libere de nuevo a la atmósfera. También existe el riesgo de que la inyección subterránea de CO<2>a alta presión provoque terremotos. Además, un mezclado con y una disolución del CO<2>en las aguas subterráneas podría provocar los llamados "géiseres fríos", que también causarían nuevas emisiones.

Otra desventaja de la tecnología CCS es la falta de infraestructuras para el transporte necesario de CO<2>. Las fuentes de emisión, como las centrales eléctricas o las cementeras, se encuentran por regla general lejos de lugares adecuados para el almacenamiento de CO<2>, lo que exigiría la construcción de tuberías adecuadas.

Por el contrario, en el documento DE 10 2013 112 205 A1 se señala que el carbono en estado sólido puede almacenarse, por ejemplo, en antiguos filones de carbón a largo plazo y sin problemas.

Kammanet al.,en "Biokohle: Ein Weg zur dauerhaften Kohlenstoff-Sequestrierung", Umweltbeobachtungs- und Klimafolgenforschungsstation Linden, Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Institut für Pflanzenokologie der Justus-Liebig-Universitat GielJen, abril de 2010, páginas 1 a 8, DOI 14902790298116661323 discuten el uso de biocarbón en suelos.

El documento DE 102007037672 A1 describe un procedimiento para armonizar las curvas de suministro/consumo de electricidad mediante almacenamiento intermedio e incorporación de un aprovechamiento de CO<2>. El CO<2>puro se obtiene del gas de escape que contiene CO<2>y el CO<2>se almacena temporalmente o se elimina, lo que corresponde a un procedimiento CCS conocido. No está prevista la disociación de hidrocarburos y no tiene lugar un almacenamiento de carbono en forma sólida.

El documento WO 2015/044407 A1 tiene como objeto un procedimiento para almacenar electricidad procedente de fuentes renovables. A este respecto, el hidrógeno puro, que se ha obtenido mediante la electrólisis del agua, se hace reaccionar con CO<2>puro o con una mezcla de CO<2>/CO/H<2>para dar metano. El metano se almacena temporalmente y a continuación se disocia en carbono e hidrógeno. El carbono se reutiliza para producir CO<2>o una mezcla de CO<2>/CO/H<2>. El CO<2>no se almacena ni se elimina de la atmósfera, ya que el carbono se recicla completamente en el procedimiento.

J. Temple en "Klima-Ingenieure machen Ernst, CO2 aus der Luft waschen", Technology Review, páginas 49 a 52, junio de 2017, describe la lixiviación de CO<2>del aire para la fertilización de las plantas. Para la separación se utilizan filtros recubiertos con agentes de adsorción, que deben calentarse con el correspondiente consumo de energía para desorber el CO<2>.

El documento WO 2014/170184 A1 se refiere a un dispositivo de adsorción para la separación de gas, en particular para CO<2>, al igual que el documento WO 2015/185434 A1.

El documento WO 2016/005226 A1 se refiere a un procedimiento para la adsorción o desorción cíclica en procedimientos CCS.

Wurzbacher, J. A., en "Development of a temperature-vacuum swing process for CO2 capture from ambient air", 2015, ETH Zurich Research Collection, https://doi.org/10.3929/ethz-a-010432423, describe un procedimiento para extraer CO<2>concentrado de la atmósfera mediante adsorción.

Gebald, C., en "Development of amine-functionalized adsorbent for carbon dioxide capture from atmospheric air", 2014, ETH Zurich Research Collection, https://doi.org/10.3929/ethza-010171623, divulga el uso de aminosilanos como adsorbentes que se utilizan para fijar el CO<2>de la atmósfera.

También los documentos US 9.095.813, US 2015/14815661, US 8.119.091, US 8.728.428, US 9.975.100, US 8.871.008, US 9.637.393, US 2017/15622883, US 2017/ 15591324, CA 2017051581 se refieren a la eliminación de CO<2>de la atmósfera.

E. Katifu, en "Carbon dioxide absorption using fresh water algae and identifying potential uses of algal biomass", Faculty of Engineering and the Built Environment, University of the Witwatersrand, 2011, Johannesburgo, aborda el uso de microalgas para reducir las emisiones de CO<2>.

Los documentos GB 2470452 A, CN 107 058 055 A y US 2012/276616 A tratan de la producción de biometano a partir de biomasa vegetal. Por los documentos MURADOV N Z ET AL: "Green path from fossil-based to hydrogen economy: An overview of carbon-neutral technologies", INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN e Ne RGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. II. 33, n.° 23, (2008-12-01), páginas 6804-6839, DOI: 10.1016/ J.IJHYDENE.2008.08.054; US 2021/371277 A; y STEINBERG M ED - KURT EROL ET AL: "Fossil fuel decarbonisation technology for mitigating global warming", INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, Vol. 24, n.° 8, (1999-08-01), páginas 771-777, DOI: 10.1016/S0360-3199(98)00128-1 se sabe que el metano se disocia en sus elementos y elimina el carbono de la atmósfera a largo plazo. Por último, la producción de hidrocarburos sintéticos a partir de dióxido de carbono e hidrógeno se conoce por el documento WO 2018/112654 A.

La cuestión de la eliminación del CO<2>emitido por el aire (Carbon Dioxide Removal, CDR) es cada vez más importante. Ahora se reconoce que el objetivo climático de limitar el aumento de la temperatura a 1,5 °C o 2,0 °C no puede alcanzarse únicamente evitando las emisiones. Más bien parece necesaria la eliminación continua de CO<2>de la atmósfera, que debería comprender de 100 GT a 1000 GT de CO<2>para 2100 de acuerdo con el Informe Especial del IPCC "Global warming of 1.5 °C" del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), octubre de 2018. Sólo hay unos pocos procedimientos con los que se separe el CO<2>que ya se ha liberado de la atmósfera.

Éstos pueden dividirse prácticamente en cuatro grupos:

i) Combustión de biomasa y almacenamiento de CO<2>: BECCS (bioenergy with carbon capture and storage), ii) Extracción de CO<2>del aire ambiente mediante procesos de sorción físicos y/o químicos, en particular mediante quimisorción utilizando aminas, y posterior compresión - DACCS (direct air carbon capture and storage), iii) Enriquecimiento de carbono en los campos mediante la adición de biocarbón,

iv) Procedimientos que aumenten la capacidad de los suelos o las aguas para absorber CO<2>. De este modo, los minerales triturados se distribuyen por las superficies terrestres, lo que favorece la fijación química del CO<2>del aire. También se ha propuesto la alcalinización del océano, por la que los minerales triturados reducen el valor del pH del agua y favorecen así el almacenamiento de CO<2>en el mar.

En los procedimientos BECCS y DACCS se tiene como objetivo que el CO<2>se captura y secuestra bajo tierra. En el procedimiento BECCS, la biomasa se utiliza como combustible y el CO<2>biogénico se elimina del gas de escape. En el procedimiento DACCS, el CO<2>se extrae del aire ambiente mediante procedimientos de sorción, es decir, procesos químicos o físicos. A continuación, el CO<2>gaseoso debe transportarse a lugares de almacenamiento distantes y almacenarse geológicamente.

En los procedimientos BECCS, DACCS y en general CCS, el CO<2>se separa y se almacena como tal, en donde están presentes los inconvenientes conocidos debido a la inyección y almacenamiento de gases.

En el procedimiento DACCS, el aire ambiente se transporta a través del material de adsorción mediante ventiladores, en donde el CO<2>se une física y/o químicamente a la superficie del material de adsorción. Una vez alcanzado el equilibrio de saturación, el CO<2>se desorbe en una segunda etapa mediante calentamiento, de modo que el material de adsorción se regenera. Habitualmente, en este tipo de instalaciones se utilizan al menos dos aparatos, que funcionan con desplazamiento de fases, o sea de manera alterna, en donde la adsorción tiene lugar en uno de los aparatos mientras que la regeneración se realiza en el segundo aparato. Un cambio de este tipo se designa también como procedimiento pendular. Este procedimiento está caracterizado por que deben filtrarse cantidades considerables de aire, lo que se debe a la baja concentración de CO<2>en el aire (aprox. 400 ppm).

Se produce CO<2>gaseoso, que debe almacenarse permanentemente en depósitos geológicos, por ejemplo. Por consiguiente, el almacenamiento en forma de gas también es necesario en este caso.

En cuanto al balance de CO<2>, para el funcionamiento de una instalación de DACCS además se requiere la disponibilidad de energía libre de emisiones para la generación del calor necesario para la desorción, así como la idoneidad de las formaciones geológicas para el almacenamiento del CO<2>gaseoso.

Entre las demás opciones para unir el CO<2>, la deposición de biomasa verde, por ejemplo mediante compostaje, no es conveniente para garantizar la eliminación permanente de CO<2>de la atmósfera, ya que en caso de procesos de descomposición de la biomasa mediante procesos aeróbicos se produce de nuevo la formación de CO<2>. Además de las emisiones de CO<2>, hay que aceptar adicionalmente largos periodos de crecimiento de la biomasa, de varios años a décadas, cuando se almacena madera maciza en forma de troncos, por ejemplo.

También se habla de pirolizar la biomasa y depositar el carbono resultante a este respecto, también conocido como biocarbón, o utilizarlo en la agricultura. A este respecto también pueden producirse nuevas emisiones de CO<2>, ya que el carbono en este caso puede quedar expuesto al efecto oxidante del oxígeno atmosférico. Además, la energía contenida en la biomasa queda desaprovechada de esta forma. Sin embargo, la biomasa se compone en gran parte de hidrógeno, que no provocaría emisiones de CO<2>si se utilizara para producir energía. Este potencial se pierde cuando la biomasa pirolizada se deposita en vertederos o se utiliza en la agriculatura.

Además, la aplicación de productos químicos que modifican el pH, como los minerales, en zonas terrestres o para la alcalinización de los océanos puede tener efectos medioambientales aún desconocidos.

Un objetivo de la invención consiste en separar CO<2>de la atmósfera y/o de un gas de escape y evitar de forma fiable su reemisión. Además, la cantidad de energía necesaria para ello debería reducirse o al menos parte de la energía convertida en el procedimiento debería poder aprovecharse.

Divulgación de la invención

Se propone un procedimiento para eliminar e inmovilizar dióxido de carbono de la atmósfera y/o de un gas de escape, que comprende las etapas de:

a) convertir el dióxido de carbono de la atmósfera y/o de un gas de escape en biomasa mediante fotosíntesis, preferentemente en terrenos agrícolas, en particular en un invernadero,

b) realizar una reacción de biogás en la que la biomasa producida en la etapa a) se convierte en biogás que contiene metano y dióxido de carbono, en particular en un reactor de biogás,

c) separar el metano del biogás obtenido,

d) disociar el metano en carbono e hidrógeno, en donde se obtiene el carbono como sólido,

e) capturar el carbono obtenido,

f) depositar el carbono obtenido y

g) hacer reaccionar el dióxido de carbono del biogás con el hidrógeno obtenido en la etapa d) para formar una mezcla de hidrocarburos.

El procedimiento de acuerdo con la invención comprende tres reacciones biológicas o químicas para eliminar el CO<2>del aire. Éstas son la fotosíntesis en la etapa a), la reacción del biogás, en particular una fermentación anaeróbica, en la etapa b) y la disociación del metano, en particular una pirólisis del metano, en la etapa d).

En la etapa a) tiene lugar la fotosíntesis. Con la fotosíntesis, se forman sustancias con un nivel de energía más alto a partir de materiales de partida con un nivel de energía bajo, concretamente CO<2>y agua, con la acción de la luz. En la naturaleza, la fotosíntesis conduce a la formación de biomasa y sus subproductos, como los biorresiduos y también abonos agrícolas, por ejemplo en forma de estiércol y purines. La reacción de fotosíntesis provoca el crecimiento de plantas y algas en la naturaleza. La fotosíntesis también se utiliza para la producción industrial de biomasa en invernaderos o biorreactores de algas.

La etapa a) para la producción de la biomasa puede tener lugar en un proceso agrícola, es decir, en una superficie de funcionamiento agrícola, y/o en un invernadero.

Como biomasa se define en particular sustancias y sus mezclas que se producen con la fotosíntesis. También se conocen como biomasa primaria. Por la biomasa se entiende además también sustancias y sus mezclas que se han producido como resultado de la utilización de biomasa primaria y han conservado un carácter biogénico. La biomasa puede contener en particular paja, residuos forestales, abono agrícola, residuos alimentarios y/o residuos municipales.

En aplicaciones industriales, resulta ventajoso optimizar la producción de biomasa ajustando los parámetros de reacción, como la concentración de CO<2>en el aire ambiente. La eficiencia de la fotosíntesis aumenta en función de la planta con una mayor concentración de CO<2>. En plantas C<4>como el maíz, la caña de azúcar o el mijo, el crecimiento máximo, es decir, la máxima eficiencia de la fotosíntesis, ya se alcanza en las condiciones atmosféricas actuales con respecto a la concentración de CO<2>. En el caso de las plantas C<3>, como el trigo, el centeno, la cebada, las patatas, la soja y los árboles, las tasas de crecimiento siguen aumentando con el incremento de las concentraciones de CO<2>. Preferentemente, se utilizan plantas C<3>en la etapa a) para convertir CO<2>mediante biosíntesis. La máxima eficiencia de la fotosíntesis en plantas C<3>se alcanza a más de 1000 ppm de CO<2>. En general, al aumentar la concentración de CO<2>en el aire ambiente, se puede conseguir hasta un 40 % más de rendimiento en la producción de biomasa, en particular en invernaderos, en condiciones de marco óptimas con respecto a la temperatura, el riego y el suministro de nutrientes, en particular con nitrógeno. El rendimiento puede incrementarse aún más utilizando plantas C<3>de crecimiento rápido. Una mayor concentración de CO<2>también aumenta la tasa de crecimiento de las algas.

En el caso de gas de escape, cuyo CO<2>dado el caso se convierte en biomasa en la etapa a), puede tratarse por ejemplo de un gas de escape que se produce durante la combustión de combustibles fósiles en una central eléctrica. El gas de escape también puede ser, por ejemplo, un subproducto que se produce en un proceso de fabricación industrial o el gas de escape puede ser un gas transportado que se produce durante la extracción de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo crudo o el gas natural. Un ejemplo de gas transportado es el gas de mina. La producción de corriente eléctrica a partir de combustibles fósiles representa la mayor proporción de gases de escape que se producen.

Los procesos industriales son igualmente importantes como fuente de gases de escape relevantes para el clima. Un ejemplo de proceso de fabricación industrial es la producción de cemento, en la que las emisiones de CO<2>son atribuibles en gran medida al procedimiento de calcinación. En la producción de hierro y acero así como de los materiales auxiliares necesarios para ello, los gases residuales de la producción contienen CO<2>. Los gases de escape relevantes para el clima también pueden producirse, por ejemplo, en las refinerías.

Estos gases de escape, que normalmente se liberan a la atmósfera, pueden capturarse una vez producidos e introducirse en el procedimiento propuesto.

Además de los óxidos de carbono ya mencionados, los gases de escape industriales contienen habitualmente otras sustancias que deben tenerse en cuenta a la hora de tratar el gas de escape. A esto pertenecen entre otros metano, hidrógeno, vapor de agua y el gas inerte nitrógeno, en donde la proporción de nitrógeno puede ascender a hasta el 97 % en volumen. Como otras partes constituyentes de gas de escape pueden estar contenidas impurezas como sulfuro de hidrógeno, mercurio y/o metales pesados. Estas impurezas requieren un tratamiento previo para conseguir los valores límite prescritos. El oxígeno también puede encontrarse en concentraciones de hasta el 6 % en volumen en el gas de escape de las centrales eléctricas. Los gases de escape que se producen durante la extracción de gas natural, por ejemplo, además de metano contienen CO<2>y nitrógeno en proporciones relevantes.

Preferentemente, el gas de escape se purifica de polvo, compuestos que contienen azufre y otras impurezas como óxidos de nitrógeno, cloruro de hidrógeno, fluoruro de hidrógeno, mercurio, otros metales y otras sustancias orgánicas o inorgánicas con procedimientos habituales ya conocidos antes de introducirlos.

El gas de escape que se alimenta en la etapa a) es, en particular, una mezcla que comprende CO<2>. Además, el gas de escape puede comprender al menos un gas inerte, como nitrógeno o argón, como componentes adicionales y, dado el caso, vapor de agua.

Preferentemente, el gas de escape utilizado en la etapa a) procede al menos parcialmente de la utilización del hidrógeno producido en la etapa d) o del biogás formado en la etapa b), en particular del metano. Dado el caso, el gas de escape se desulfura, se purifica de otras impurezas y/o se desempolvan en un tratamiento previo. Más preferentemente, el gas de escape utilizado en la etapa a) consiste exclusivamente en gas de escape que se reconduce dentro del procedimiento. Más preferentemente, el gas de escape utilizado en la etapa a) procede exclusivamente del biogás producido en la etapa b), en particular del uso del hidrógeno producido en la etapa d). De manera correspondiente, el gas de escape puede proceder del biogás directa o indirectamente, es decir, tras la disociación posterior del metano.

La reacción de biogás en la etapa b) comprende, en particular, una reacción de fermentación anaeróbica. En la fermentación anaeróbica se convierte la biomasa en biogás, es decir, una mezcla de metano y dióxido de carbono principalmente. El biogás producido en la etapa b) contiene preferentemente un total de al menos el 90 % en volumen, más preferentemente al menos el 95 % en volumen, de metano y CO<2>, con respecto al biogás total.

En particular, la biomasa se hidroliza bajo la acción de diversos microorganismos, como las bacterias. Durante la reacción del biogás, el valor de pH se encuentra preferentemente en el intervalo de 6 a 7, más preferentemente de 6,5 a 7 y en particular de 6,6 a 6,7. La temperatura durante la reacción de biogás es preferentemente constante y se encuentra más preferentemente en un intervalo de 25 °C a 45 °C, más preferentemente de 30 °C a 40 °C, en particular de 33 °C a 37 °C, por ejemplo a 35 °C. En la reacción de biogás se descomponen sustancias como azúcares, aminoácidos y/o grasas. La hidrólisis va seguida preferentemente de fermentación o acetilación, en donde se forman ácidos que a continuación se convierten en metano y dióxido de carbono. Las condiciones de reacción descritas representan un valor óptimo para las bacterias productoras de metano.

Como biomasa se usa en la etapa b) preferentemente plantas, en particular plantas C<3>, biorresiduos, estiércol de granja, como estiércol y/o purines, y/o residuos municipales. La biomasa producida en la etapa a) puede utilizarse directamente en la etapa b). De ese modo, las plantas producidas en la etapa a) pueden introducirse directamente en la reacción del biogás en la etapa b). Como alternativa, la biomasa producida en la etapa a) puede someterse, al menos parcialmente, a un primer uso o conversión, de modo que esté presente en la etapa b) como biorresiduos, residuos municipales o fertilizantes.

La reacción del biogás se lleva a cabo preferentemente en un recipiente cerrado, también conocido como fermentador.

Antes de realizar la reacción del biogás, la biomasa puede triturarse y clasificarse dado el caso. La biomasa puede introducirse continuamente en el fermentador. El tiempo de permanencia de la biomasa en el fermentador asciende preferentemente a más de un día. El biogás producido se acumula sobre una fase líquida y sólida, en particular en una zona superior del fermentador. El biogás contiene preferentemente al menos un 40 % en volumen, más preferentemente del 50 % al 75 % en volumen, en particular del 62 % al 75 % en volumen de metano, con respecto al biogás total. El biogás contiene adicionalmente CO<2>y dado el caso vapor de agua, sulfuro de hidrógeno y/o amoníaco.

La fermentación controlada, la reacción de biogás, en particular en un recipiente cerrado, ofrece la ventaja de reducir las emisiones, por ejemplo en forma de ácidos que pueden contaminar las aguas subterráneas o emisiones de metano que pueden entrar en la atmósfera de forma incontrolada y contribuir así a cambios climáticos.

El biogás producido contiene CO<2>, que puede separarse en un procesamiento del biogás, en particular un dispositivo de separación de CO<2>, y puede alimentarse de nuevo a la fotosíntesis. De manera correspondiente, la etapa c) también puede denominarse procesamiento del biogás.

Por ejemplo, pueden utilizarse membranas de fibra hueca de poliimida para separar el dióxido de carbono.

En la etapa g), el CO<2>del biogás se hace reaccionar con el hidrógeno producido en la etapa d) para formar una mezcla de hidrocarburos.

Preferentemente, el CO<2>del biogás se introduce en la reacción con el hidrógeno producido en la etapa d) tras la separación del metano en la etapa c). La mezcla de hidrocarburos obtenida durante la reacción de CO<2>con el hidrógeno contiene en particular queroseno, gasolina y/o ceras.

Para convertir el CO<2>del biogás obtenido en una mezcla de hidrocarburos, el CO<2>puede alimentarse en particular a un dispositivo de Fischer-Tropsch.

Como alternativa a un dispositivo de Fischer-Tropsch, el CO<2>también puede convertirse en metano y agua con el hidrógeno producido en la etapa d). Esto puede realizarse, por ejemplo, en una reacción catalítica de Sabatier o en un proceso bioquímico en el que se utilicen microorganismos formadores de metano. Los microorganismos formadores de metano adecuados son, por ejemplo,Methanobacterium, Methanospirillium hungatiioMethanosaeta.

Además de la reacción de CO<2>con el hidrógeno obtenido en la etapa d) para formar una mezcla de hidrocarburos, una parte del CO<2>del biogás obtenido puede reconducirse a la etapa a) tras la separación del metano de acuerdo con la etapa c). Además, una parte del CO<2>del biogás obtenido puede licuarse tras la separación del metano, de acuerdo con la etapa c).

Para aumentar el rendimiento de carbono sólido, es además especialmente preferido introducir los hidrocarburos obtenidos en la etapa g) al menos parcialmente en la reacción para disociar el metano en la etapa d). En este caso, no sólo se disocia el metano en carbono e hidrógeno, sino también los hidrocarburos contenidos en la mezcla de hidrocarburos.

Preferentemente, la separación del metano en la etapa c) se realiza físicamente, en particular mediante condensación, adsorción y/o un procedimiento de membrana. La separación del metano del biogás obtenido en la etapa c) se realiza preferentemente de forma continua.

En particular, para separar el metano se utilizan la adsorción por cambio de presión, la adsorción por temperatura y vacío, la adsorción química, la separación por membranas, el procedimiento de lavado de gases a presión y/o la adsorción por concentración variable.

Tras la separación en la etapa c), el flujo de material del metano separado contiene preferentemente más del 95 % en volumen de metano y más preferentemente no más del 1 % en volumen de CO<2>.

En la etapa d), que también puede denominarse pirólisis, al menos una parte del metano formado en la etapa b) y, siempre que los hidrocarburos obtenidos en la etapa g) igualmente se reconduzcan a la etapa d), los hidrocarburos se dividen en los elementos hidrógeno y carbono. Las reacciones que tienen lugar en la etapa d) pueden representarse con las siguientes ecuaciones de reacción:

CH4^2H2+C

CHa(CH2)ncH3^(n+3)H2+(n+2)C

Estas reacciones son endotérmicas, es decir, hay que suministrar energía al sistema de reacción para que se desarrolle la reacción.

Preferentemente, la disociación del metano y dado el caso de los hidrocarburos en la etapa d) se realiza mediante un procedimiento de pirólisis y en particular a una temperatura de al menos 800 °C, más preferentemente de al menos 1000 °C, en particular de más de 1200 °C, más preferentemente de más de 1400 °C.

La energía necesaria para realizar la reacción mencionada anteriormente se suministra preferentemente en forma de electricidad procedente de fuentes renovables como el viento, el biogás y/o la energía fotovoltaica, que en particular no puede adquirirse actualmente de la red eléctrica. En particular no se utiliza ningún combustible fósil para este fin. Como alternativa, una parte del biogás o del hidrógeno obtenido puede utilizarse para proporcionar la energía necesaria para la disociación.

La disociación del metano y dado el caso de los hidrocarburos puede realizarse mediante termopirólisis, en la que la energía necesaria se proporciona por calentamiento directo o indirecto. En cuanto a la disociación térmica directa, se conocen procedimientos en los que el metano y/o los hidrocarburos fluyen a través de una columna de metal líquido en forma de burbujas, a este respecto se calientan y se disocian. El carbono se acumula en la superficie de la columna metálica, el hidrógeno escapa y se alimenta para su posterior procesamiento. Además, se conoce un procedimiento térmico en el que la disociación se realiza en un lecho móvil constituido por granulado de carbono.

Adicionalmente, la disociación del metano y dado el caso de los hidrocarburos puede realizarse utilizando un arco eléctrico, en donde la energía se suministra mediante descarga eléctrica en la fase gaseosa. Un procedimiento de este tipo se conoce por los expertos como procedimiento Kvaerner. La disociación del metano y dado el caso de los hidrocarburos puede realizarse de manera correspondiente en un generador de hidrógeno por plasma. El plasma se genera, por ejemplo, irradiando ondas electromagnéticas. La disociación por plasma del metano y dado el caso de los hidrocarburos tiene lugar a temperaturas de hasta 2000 °C y a una densidad de energía localmente elevada.

Como alternativa, la disociación del metano y dado el caso de los hidrocarburos puede realizarse en presencia de al menos un catalizador a una temperatura elevada, en particular en un intervalo de 800 °C a 1000 °C. Como catalizador puede utilizarse al menos un metal, en particular seleccionado del grupo que está constituido por Fe, Ni y Cr, y/o carbón activado.

Durante la pirólisis se produce una fase gaseosa que contiene hidrógeno como producto gaseoso y carbono, en particular carbono elemental, como sólido. Mediante esta reacción se disocia el portador de energía metano y dado el caso los hidrocarburos en dos sustancias. El hidrógeno puede utilizarse como fuente de energía sin ningún impacto negativo sobre el clima, ya que la combustión del hidrógeno con el aire produce agua o vapor de agua en lugar de gases de efecto invernadero. Si se quemara hollín alternativamente para generar la energía correspondiente, por ejemplo, se producirían 3,67 kg de CO<2>perjudicial para el clima al quemar 1 kg de hollín.

La fase gaseosa tras la pirólisis comprende preferentemente hidrógeno, un gas inerte, metano y dado el caso hidrocarburos. La fase gaseosa puede introducirse al menos parcialmente en un dispositivo de separación, en particular una membrana, en donde se produce hidrógeno y un gas residual.

Preferentemente, la etapa d) va seguida de un filtro en el que el carbono se separa del hidrógeno. La conversión del metano y dado el caso de los hidrocarburos en hidrógeno y carbono se realiza preferentemente con un rendimiento de aprox. el 96 al 97 %.

Preferentemente, tras la disociación del metano y dado el caso de los hidrocarburos en la etapa d), el hidrógeno se separa del gas residual, es decir, de otros componentes gaseosos, en particular mediante un proceso de membrana.

El hidrógeno puede aprovecharse material o energéticamente y puede alimentarse a una central eléctrica o a un sistema de transporte y distribución. El gas residual que queda tras la separación del hidrógeno de la fase gaseosa se alimenta preferentemente a la central eléctrica. La central eléctrica comprende preferentemente un motor de gas para generar electricidad y calor. El calor generado en la central eléctrica puede utilizarse al menos parcialmente para generar frío. Incluso la fase gaseosa, es decir, en particular sin separación del hidrógeno, puede alimentarse a la central eléctrica.

La electricidad generada en la central eléctrica se utiliza preferentemente para hacer funcionar el reactor para la disociación del metano y dado el caso de los hidrocarburos y/o se vierte a la red eléctrica pública para estabilizar la red. La central eléctrica también produce calor y gas de escape, que pueden utilizarse para producir la biomasa en la etapa a), en particular en un invernadero.

En una forma de realización preferida, una parte del hidrógeno se reconduce al reactor para disociar el metano y dado el caso los hidrocarburos.

Preferentemente, al menos parte del hidrógeno producido durante la disociación se utiliza como material de partida en la industria química, como portador de energía para la generación de corriente eléctrica y/o calor, en donde puede utilizarse el calor dado el caso al menos parcialmente para generar frío, o puede utilizarse como combustible para vehículos. Para generar energía, el hidrógeno puede mezclarse con aire de combustión y quemarse en una turbina de gas. La turbina de gas puede accionar un generador eléctrico con el que se genera corriente eléctrica. Los gases de escape procedentes de la combustión pueden utilizarse para generar vapor de proceso mediante un generador de vapor.

También es concebible convertir el hidrógeno en corriente eléctrica mediante una pila de combustible o utilizar el hidrógeno para otros fines, por ejemplo para repostar vehículos impulsados por hidrógeno o para calefacción.

Preferentemente, al menos una parte del hidrógeno producido en la etapa d) o del biogás producido en la etapa b) se utiliza como fuente de energía para la disociación del metano y dado el caso de los hidrocarburos en la etapa d). Preferentemente, la energía necesaria para la disociación de acuerdo con la etapa d) se proporciona al menos parcialmente utilizando el hidrógeno producido en la etapa d) y dado el caso el gas residual y/o se genera a partir de fuentes renovables. Como alternativa o adicionalmente, el metano separado en la etapa c) también puede utilizarse para generar electricidad y/o calor. Por ejemplo, del 30 al 50 % en volumen del biogás producido, en particular en forma de metano y/o hidrógeno, puede utilizarse para generar electricidad y/o calor.

Preferentemente, el hidrógeno producido en la etapa d) se utiliza al menos parcialmente como material de partida para síntesis en la industria química, como portador de energía para la generación de corriente eléctrica, calor, dado el caso frío y/o como combustible para vehículos.

Preferentemente, el hidrógeno se separa del carbono tras la disociación del metano y dado el caso de los hidrocarburos de acuerdo con la etapa d), en particular mediante filtración. El hidrógeno separado se alimenta junto con el CO<2>del biogás a la etapa g) para producir hidrocarburos, en particular metano. Mediante esto puede elevarse significativamente el rendimiento del carbono sólido.

En particular, el carbono obtenido como sólido en la etapa d) no se utiliza como portador de energía. El carbono se recoge preferentemente, se transporta a un vertedero y se almacena o elimina de forma permanente. Preferentemente, el carbono obtenido en la etapa d) se deposita por completo. Además, preferentemente, el carbono obtenido en la etapa d) se separa de la fase gaseosa que contiene el hidrógeno.

Más preferentemente se mezcla el carbono obtenido en la etapa d) con otros componentes, en particular otros sólidos, antes de ser depositado en la etapa f), de manera que ya no sea posible la recuperación de energía, a fin de inmovilizar definitivamente el carbono y poder almacenarlo con especial seguridad. Como otros sólidos pueden utilizarse por ejemplo arena, arcilla, grava, escombros de construcción, escorias, piedras, residuos, en particular los procedentes del desmantelamiento industrial, o una combinación de varios de estos materiales. De manera correspondiente, el carbono obtenido en la etapa d) se inmoviliza preferentemente y la inmovilización permanente se asegura mezclando el carbono obtenido con otro sólido. La mezcla de sólidos formada, que comprende el carbono obtenido con al menos otro sólido, se almacena en particular geológicamente y de forma permanente en un sumidero de carbono, tal como por ejemplo una mina.

Preferentemente, el carbono obtenido como sólido en la etapa d) se mezcla con al menos otro sólido, en particular arena y/o roca, antes de ser depositado de acuerdo con la etapa f).

La deposición en la etapa f) se prolonga preferentemente hasta al menos 30 años, más preferentemente hasta al menos 50 años.

El carbono se deposita preferentemente bajo tierra, por ejemplo en antiguas minas, en particular minas de potasa o minas de sal. El carbono también es adecuado como material de relleno para rellenar minas a cielo abierto, excavaciones, pozos de grava, yeso o arcilla. Para evitar daños geológicos así como cumplir las obligaciones de conservación de la naturaleza, los lugares de extracción en desuso se someten a amplias medidas de rehabilitación y recultivo. A este respecto se rellenan las cavidades de las minas subterráneas y las propias minas con material mineral. Como materiales adecuados se usan los escombros de construcción, escorias, piedras, residuos de desmantelamientos industriales y otros residuos industriales que presentan una resistencia suficiente. Si se utiliza carbono solo, primero habría que inyectarlo para rellenar. Mezclar el carbono en polvo con minerales o residuos ha demostrado ser ventajoso, ya que el carbono puede penetrar en la estructura porosa de los minerales y fijarse allí de forma permanente.

Por la deposición en la etapa f) del procedimiento de acuerdo con la invención puede entenderse también la utilización del carbono producido como sólido en la industria de la construcción, en particular en la construcción de carreteras, y/o en la agricultura.

El uso material del carbono producido como sólido en productos industriales como revestimientos para cables eléctricos, materiales aislantes, aislamientos, estructuras subterráneas, etc. también puede clasificarse como deposición siempre que se garantice que la vida útil de las aplicaciones se extienda al menos a 30 años, más preferentemente al menos a 50 años. En este sentido, el carbono se mezcla por regla general en forma sólida con el material utilizado para los productos.

Preferentemente, la deposición comprende exclusivamente la deposición geológica, en particular subterráneo, por ejemplo en minas.

Preferentemente, al menos las etapas a) a e) y la etapa g) se realizan en un módulo. Se entiende por un módulo una unidad espacialmente coherente. Más preferentemente se producen hidrocarburos en el módulo, en donde se usan CO<2>y el gas residual.

Además, se instalan preferentemente varios módulos en lugares en cada caso distintos.

Preferentemente, en cada caso al menos las etapas a) a e) y g) se realizan en al menos dos módulos, es decir, en al menos dos unidades espacialmente coherentes y más preferentemente los al menos dos módulos están conectados a un centro de control central.

Preferentemente, el mezclado del carbono obtenido se realiza con otro sólido fuera o independientemente de los módulos. A este respecto, el carbono obtenido procede de al menos un módulo. La mezcladora puede conectarse al centro de control central, en particular mediante tecnología de datos.

Ventajas de la invención

Con el procedimiento descrito, el CO<2>"extraído" de la atmósfera y/o del gas de escape se eliminan de la atmósfera. Es posible una inmovilización permanente del carbono y por consiguiente se consigue un efecto de limpieza de la atmósfera.

En comparación con la combustión de este carbono, se puede conseguir un almacenamiento geológico y la correspondiente unión de 3,67 kg de CO<2>equivalente a la deposición de 1 kg de carbono.

La combinación de fotosíntesis, la fermentación anaeróbica, la pirólisis y la deposición, es decir, las etapas a), b), d) y f), permite por consiguiente reducir el CO<2>en la atmósfera. A diferencia de otros procedimientos conocidos descritos anteriormente para separar CO<2>de la atmósfera, el procedimiento de acuerdo con la invención produce hidrógeno y dado el caso CO<2>biogénico, que puede utilizarse económicamente.

La conversión de CO<2>en carbono en forma sólida simplifica considerablemente el secuestro, ya que se inmoviliza un sólido y no un gas. Encontrar un vertedero de carbono adecuado parece ser mucho más fácil que encontrar capacidades de almacenamiento adecuadas para el CO<2>gaseoso, como se requiere para los procedimientos de CCS convencionales.

Además, la deposición de carbono en forma sólida elimina los riesgos de reemisión. Se eliminan los riesgos geológicos asociados a la inyección del dióxido de carbono gaseoso a alta presión.

La conversión del CO<2>contenido en el biogás con el hidrógeno obtenido en la disociación en hidrocarburos, incluido el metano, tiene un efecto positivo en el rendimiento de carbono sólido. La cantidad de carbono puede aumentar hasta el doble que en un procedimiento sin introducir hidrocarburos en la disociación. En consecuencia, aumenta el efecto deseado de purificación de la atmósfera de CO<2>perjudicial para el clima.

La invención se describe con más detalle haciendo referencia a los siguientes dibujos (figuras 1 - 4), la lista de referencias, las reivindicaciones así como los ejemplos.

Muestran:

Figura 1 un esquema del procedimiento de acuerdo con la invención en una primera forma de realización, Figura 2 un esquema del procedimiento de acuerdo con la invención en una segunda forma de realización Figura 3 un esquema de una combinación de varios módulos para realizar el procedimiento de acuerdo con la invención y

Figura 4 una sección de un módulo para realizar varias etapas del procedimiento de acuerdo con la invención, Figura 5 esquema de proceso del primer procedimiento realizado en el ejemplo 4,

Figura 6 esquema de proceso del segundo procedimiento realizado en el ejemplo 4.

La figura 1 muestra un esquema del procedimiento de acuerdo con la invención, en donde las flechas sólidas indican los flujos de material y las flechas discontinuas indican los flujos de energía. Los círculos representan puntos de conexión con el entorno del sistema y la línea discontinua de dos puntos marca los límites del módulo 14 considerado. En la etapa a), la biomasa 100 se produce por medio de fotosíntesis de CO<2>102. Esto se realiza, por ejemplo, cultivando plantas en un campo o, alternativa o adicionalmente, cultivando plantas en un invernadero 1. Mediante la selección dirigida de las plantas puede favorecerse el crecimiento rápido de la biomasa 100 y puede optimizarse la idoneidad para la producción de biogás 101.

Para aumentar el crecimiento de las plantas, el aire del invernadero 1 puede enriquecerse con CO<2>102 y calentarse. El CO<2>102 puede suministrarse al invernadero 1 por separado y/o como parte de un gas de escape 113. A este respecto, el CO<2>102 se reconduce preferentemente a partir de etapas posteriores del procedimiento, en particular a partir de un procesamiento 3 del biogás 101 producido en el procedimiento y como parte del gas de escape 113 de una central de cogeneración (BHKW) 9.

La biomasa 100 se fermenta en la etapa b) del procedimiento, en particular con una reacción bacteriana anaeróbica, para dar biogás 101 que contiene metano 103 y CO<2>102. En particular, la reacción se realiza en particular de forma continua en un recipiente de mezclado, que representa un reactor de biogás 2.

En la etapa c) del procedimiento, el biogás 101 se alimenta a un procesamiento 3, en donde el metano 103 en forma de flujo rico en metano se separa de un flujo que contiene CO<2>102. El CO<2>102, por ejemplo todo el flujo que contiene CO<2>102, puede reconducirse al invernadero 1 para enriquecer el aire del invernadero 1 con CO<2>102. Como alternativa o de manera complementaria a la reconducción del CO<2>102 desde el procesamiento 3 al invernadero 1, al menos una parte 102a del CO<2>102 se dirige a un dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11.

Otra parte 102b del CO<2>puede alimentarse a una fluidificación de CO<2>12, del que puede extraerse a continuación CO<2>líquido 102c.

En la etapa d) del procedimiento, el metano 103 se alimenta desde el procesamiento 3 a un reactor 4. Allí se calienta a alta temperatura. En el reactor 4, el metano 103 se disocia en sus componentes carbono como sólido 106 e hidrógeno 110. En este caso pueden utilizarse todos los tipos de reacción mencionados, es decir, la reacción mediante pirólisis, por ejemplo termopirólisis, pirólisis por arco, pirólisis por plasma o pirólisis catalítica.

La conversión del metano 103 no es completa y también se producen otros hidrocarburos en pequeñas cantidades. A la salida del reactor 4 se produce una mezcla de gases de producto 105, que contiene metano gaseoso 103, hidrógeno 110 y otros hidrocarburos 114, así como carbono como sólido 106.

Para el funcionamiento del reactor 4 se utiliza preferentemente energía como corriente eléctrica 104a procedente de fuentes renovables, en particular de la energía eólica y fotovoltaica. La corriente eléctrica 104 puede generarse alternativa o adicionalmente en la instalación BHKW 9.

A continuación del reactor 4 se conecta un filtro 5, en el que se realiza la separación del sólido 106 de una fase gaseosa 109 que contiene hidrógeno 110.

Al menos una parte 109a de la fase gaseosa 109 puede almacenarse temporalmente dado el caso y alimentarse a la instalación BHKW 9 integrada como combustible. Además, la corriente eléctrica 104 generada en la instalación BHKW puede inyectarse en la red pública para estabilizar el suministro eléctrico.

Como alternativa, el hidrógeno 110 puede separarse del gas residual 112 presente en la fase gaseosa 109 en un dispositivo de separación de H<2>8, por ejemplo una instalación de adsorción por presión variable o mediante membranas. Para ello, al menos una parte 109b de la fase gaseosa 109 se introduce en la membrana 8. Una parte del hidrógeno 110a puede reconducirse al reactor 4, otra parte puede utilizarse como producto 110b. Para ello, el hidrógeno utilizado posteriormente como producto 110b puede introducirse primero a una estación de reunión y preparación de H<2>10 y, por ejemplo, comprimirse y llenarse en bombonas de gas o introducirse en una tubería para su posterior transporte.

De acuerdo con la invención, al menos una parte 109c de la fase gaseosa 109 o como alternativa del hidrógeno 110c se alimenta al dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11. En este caso, el hidrógeno de la fase gaseosa 109 o el hidrógeno 110 junto con CO<2>102, que procede del procesamiento 3, puede convertirse en una mezcla de hidrocarburos 114. La mezcla de hidrocarburos 114 contiene preferentemente queroseno, gasolina, ceras y sus mezclas.

Como alternativa al dispositivo de Fischer-Tropsch 11 mencionado en este caso, también puede utilizarse cualquier otro procedimiento conocido por el experto para producir hidrocarburos, por ejemplo una reacción catalítica de Sabatier o un proceso bioquímico en el que se utilicen microorganismos formadores de metano. En el dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11 o en el procedimiento utilizado de manera alternativa, se pueden producir hidrocarburos de cadena más larga, por ejemplo queroseno, gasolina y/o ceras, o también metano o hidrocarburos de cadena más corta como etano, propano o butano, así como mezclas de los mismos.

El gas residual 112 utilizado tras la separación de la fase gaseosa 109 y que sirve como combustible dado el caso puede almacenarse temporalmente y alimentar la instalación BHKW 9. Como alternativa a una fuente de energía externa, la corriente eléctrica 104 generada en la instalación BHKW 9 puede utilizarse para disociar el metano 103 en el reactor 4. Además, los gases de escape 113 generados en la instalación BHKW 9, en particular con el calor 115 allí generado, se introducen preferentemente en el invernadero 1.

El procedimiento representado en la figura 1 puede combinarse localmente para formar un módulo 14. Un módulo 14 puede servir para el suministro local de electricidad 104, hidrógeno 110 y calor 115 y la producción de hidrocarburos 114.

La figura 2 muestra una forma de realización alternativa del procedimiento de acuerdo con la invención, que difiere de la forma de realización mostrada en la figura 1 en particular por la introducción en el reactor 4 de los hidrocarburos y/o del metano producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11.

Mediante la introducción en el reactor 4 al menos de una parte 114a de los hidrocarburos y/o del metano producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización, se puede aumentar significativamente el rendimiento del carbono sólido 106.

En este caso, no sólo el metano 103 se convierte en carbono 106 e hidrógeno 110 en el reactor, sino que los hidrocarburos y/o el metano 114a introducidos en el reactor, que se obtuvieron en la reacción de Fischer-Tropsch, también se disocian en carbono 106 sólido e hidrógeno 110. La reacción realizada es a este respecto la misma que la descrita anteriormente en la figura 1 para la disociación del metano.

Para convertir el CO<2>en hidrocarburos 114, 114a en el dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización, también se introduce en el dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11 una parte 110a del hidrógeno separado en el dispositivo de separación de H<2>8, además de la parte 109c de la fase gaseosa 109 que contiene hidrógeno. Como alternativa a la forma de realización mostrada en este caso, también es posible alimentar sólo la parte 109c de la fase gaseosa 109 que contiene hidrógeno o sólo el hidrógeno 110a en el dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11.

También es posible, como se muestra en este caso, eliminar una parte de los hidrocarburos y/o del metano 114 obtenidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11 como producto y alimentar sólo una parte 114a en el reactor 4. Sin embargo, para obtener el máximo rendimiento de carbono sólido 106, es preferible introducir en el reactor 4 todos los hidrocarburos y/o todo el metano producido en el dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11.

La figura 3 muestra un esquema de una combinación de varios módulos 14, en donde las flechas sólidas indican los flujos de material y las flechas con una línea de punto y coma indican el flujo de datos. Los módulos 14 disponen de un sistema de transporte y distribución interno, es decir local, para distribuir el hidrógeno 110.

Los módulos 14 están conectados entre sí mediante tecnología de datos, lo que permite optimizar el funcionamiento con respecto a la cartera de productos, la utilización de la capacidad o la distribución, por ejemplo. El control de los módulos 14 se optimiza desde un centro de control 13, donde los datos se registran, almacenan y procesan de forma centralizada. El centro de control 13 y los módulos 14 se comunican entre sí a través de una red de datos como Internet.

El carbono producido en los módulos 14 como sólido 106 se procesa en un dispositivo de mezclado 6 central, igualmente conectado con el centro de control 13, con otros sólidos 107, que también se denominan materiales de relleno, como arena o material a granel, para formar una mezcla de sólidos 108. La mezcla de sólidos 108 puede ahora almacenarse geológica y permanentemente en un sumidero de carbono 7, tal como por ejemplo un antiguo pozo. El carbono como sólido 106 también puede utilizarse en otras aplicaciones en las que se inmoviliza permanentemente, de modo que puede considerarse un equivalente para el CO<2>eliminado del aire. Como alternativa, el carbono también puede mezclarse con materiales utilizados en la fabricación de revestimientos para cables eléctricos, aislamientos, materiales aislantes o para sellar estructuras subterráneas.

La figura 4 muestra una sección de un módulo 14 en modo de purificación de aire. El límite de balance 15 corresponde al ejemplo 3 mencionado a continuación. La biomasa 100 se alimenta al reactor de biogás 2, que también recibe corriente eléctrica 104 y calor 115 de la instalación BHKW 9. El biogás 101 extraído del reactor de biogás 2 se separa en (bio)metano 103 y CO<2>102 gaseoso en el procesamiento 3. El metano 103 se convierte a su vez en el reactor 4 en una mezcla de productos 105, es decir, una mezcla de carbono y gas, en donde el carbono se descarga en el filtro 5 como sólido 106, por ejemplo como hollín.

Al menos una parte 102a del CO<2>gaseoso se alimenta a un dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11 para producir hidrocarburos y/o metano. Una parte 114a de los hidrocarburos se alimenta al reactor 4 para su disociación en carbono sólido 106 e hidrógeno 110. Tras la separación del gas residual obtenido en el reactor, al menos una parte 110a del hidrógeno se alimenta al dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11.

Siempre que no todos los hidrocarburos 114a producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11 se introduzcan en el reactor 4, una parte de los hidrocarburos 114 pueden retirarse como producto.

Si no todo el CO<2>se alimenta al dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización 11, el CO<2>restante puede alimentarse a una fluidificación de CO<2 12>y extraerse de ésta como CO<2>líquido<102>c.

El agua 111 producida en la reacción de Fischer-Tropsch y/o de metanización se condensa y se elimina del dispositivo. La fase gaseosa 109 separada en el filtro 5 se conduce a través del dispositivo de separación de H<2 8>, donde se dispone de hidrógeno 110. El gas residual 112 restante se utiliza para producir energía en la instalación BHKW 9, en donde la corriente eléctrica 104 dentro del módulo 14 se utiliza para licuar el CO<2>102 y la corriente eléctrica 104 y el calor 115 en el reactor de biogás 2 y la corriente eléctrica 104 se utiliza para dividir el metano 103 en el reactor 4.Ejemplos

Ejemplo de realización 1: Eliminación deCO<2>del aire con el cultivo de maíz

Para cuantificar las emisiones de CO<2>, se analiza un sistema parcial de un módulo que comprende un reactor, un filtro y un dispositivo de separación de H<2>para la separación de hidrógeno, así como una instalación BHKW. También se supone que no se suministra energía externa, es decir, procedente del exterior del sistema, lo que corresponde a poner a 0 los flujos 104a de la figura 1.

Dependiendo de la composición de la biomasa utilizada, la mezcla de metano, es decir, el biogás producido, ya está nominalmente contaminado en diversos grados con emisiones de CO<2>procedentes de las etapas de proceso anteriores, en particular de la producción de la biomasa. En este ejemplo de realización, se considera el maíz como la biomasa utilizada. Las siguientes emisiones procedentes de la producción de maíz ya son atribuibles a la mezcla de metano formada a partir del maíz:

Tabla 1:

El sistema parcial equilibrado funciona de forma que el 60 % en peso del metano producido a partir del maíz se convierte estequiométricamente en hidrógeno y carbono. El 40 % restante en peso del metano se utiliza para producir corriente eléctrica, que se toma de la instalación BHKW 9 de la figura 1 con el número de referencia 104.

El siguiente cálculo se basa en un consumo de 100 kg de metano.

En la instalación BHKW se genera electricidad con un rendimiento del 36 %. Las emisiones de CO<2>se atribuyen a la electricidad generada del siguiente modo:

40 kg de CH<4>x 36 % x 50 MJ/kg x 26,5 g de CO<2>eq./MJ = 19,08 kg de CO<2>eq.

En la disociación del metano se producen los dos productos carbono como sólido e hidrógeno. Si se utilizan 60 kg de metano, a los que se atribuyen emisiones de CO<2>equivalente, se producen 45 kg de carbono y 15 kg de hidrógeno:

60 kg x 50 MJ/kg x 26,5 g de CO<2>eq./MJ = 79,5 kg de CO<2>eq.

El carbono formado como sólido está permanentemente ligado, dado que se deposita éste. Este carbono sólido es de origen biogénico, por lo que se tiene en cuenta un crédito por emisiones no realizadas, ya que estas emisiones, que se habrían producido, por ejemplo, al quemar el carbono sólido, no se liberan a la atmósfera.<1>kg de carbono sólido unido corresponde a un crédito de 3,67 kg de CO<2>equivalente (eq.). Con 45 kg de carbono sólido que se verterán en este caso, se obtendrá un crédito de 165,15 kg de CO<2>eq.

Los 15 kg de hidrógeno producidos, que, teniendo en cuenta el poder calorífico del hidrógeno de 120 MJ/kg de H<2>, corresponden a una energía utilizable de 1800 MJ (15 kg x 120 MJ/kg de H<2>= 1800 MJ), se convierten en 79,5 kg de CO<2>eq. (44,1 g de CO<2>eq./MJ de H<2>) procedentes de la generación de electricidad en la instalación BHKW y aproximadamente 1 g de CO<2>eq./MJ procedentes del transporte y manipulación del carbono sólido durante el almacenamiento permanente. La cuota de gases de efecto invernadero para el hidrógeno asciende entonces a 54,1 g de CO<2>eq./MJ de H<2>.

Como se ha mencionado anteriormente, el crédito del almacenamiento de carbono sólido se encuentra en -165,15 kg de CO<2>eq. por 100 kg de metano (- 91,75 g de CO<2>eq./MJ de H<2>). Si se tiene en cuenta este crédito en el balance del hidrógeno producido, el balance de CO<2>del hidrógeno producido es favorable a -46,65 g de CO<2>eq/MJ de H<2>( 46,65 = 44,1 1,00 -91,75).

Ejemplo de realización 2: Eliminación del CO2 de la atmósfera mediante el uso de estiércol líquido

Si se utiliza estiércol líquido en lugar de maíz para producir el metano en el reactor de biogás, al hidrógeno se le asigna una emisión de CO<2>de - 212,48 g de CO<2>eq./MJ de H<2>sin tener en cuenta el crédito por el carbono sólido almacenado y teniendo en cuenta el crédito por el vertido del carbono sólido de - 304,23 g de CO<2>eq./MJ de H<2>.

Ejemplo 3: Comparación del procedimiento de acuerdo con la invención con procedimientos DAC conocidos

Se especifican las siguientes condiciones para la comparación del procedimiento de acuerdo con la invención, que también puede denominarse procedimiento de purificación del aire, con el procedimiento DAC (direct air capture).

Para ambos procedimientos, se considera la eliminación de 1 t de CO<2>del aire ambiente.

Basado en S. Deutz, A. Bardow "Supplementary material: Life-cycle assessment for industrial direct air capture process based on temperature-vacuum swing adsorption", Nature Energy, 6, páginas 203 a 213 (2021), se supone que se necesitan aproximadamente 0,7 kWh por kg de CO<2>eliminado del aire para el trabajo mecánico, como el funcionamiento de ventiladores y bombas, y adicionalmente 3,3 kWh de calor.

Si se utilizan bombas de calor, se necesitan 1,3 kWh de corriente eléctrica para sustituir el calor, de modo que resulta una necesidad total de energía más la fluidificación de 4,11 o 2,11 kWh/kg de CO<2>.

Con respecto al método de purificación de aire de acuerdo con la invención, que se muestra de forma correspondiente en la figura 3, el balance energético tiene en cuenta la producción de biogás a partir de biomasa en el reactor de biogás 2, la separación del biogás mediante membranas en el procesamiento 3 en CO<2>y metano, la disociación del metano mediante electricidad generada dentro del procedimiento en el reactor 4, en donde la electricidad se generó mediante la instalación BHKW 9, la separación del carbono sólido en el filtro 5, que se registró mediante equivalentes de CO<2>, la separación del hidrógeno mediante el dispositivo de separación de H<2>8 y la fluidificación de CO<2>en la instalación de fluidificación de CO<2>12.

En la eliminación de 1 t de CO<2>del aire mediante el procedimiento DAC de acuerdo con el estado de la técnica se requieren 2,11 MWh de corriente eléctrica, mientras que en la eliminación mediante el procedimiento de purificación del aire se elimina 1 t de CO<2>en forma de 157 kg de carbono y 423 kg de CO<2>como gas, en donde la energía necesaria para las etapas de procedimiento descritas se obtiene exclusivamente del biogás y se producen adicionalmente 5 kg de hidrógeno y 1,1 MWh de calor, en donde están a disposición temperaturas de hasta 500 °C.

Ejemplo 4: Aumento del rendimiento de carbono mediante la metanización de CO2

El sistema utilizado en este ejemplo comprende un procesamiento de biogás 3, un reactor de disociación 4, un filtro de carbono 5, un dispositivo de separación de H<2>8 y un reactor de metanización 11. A diferencia de los ejemplos anteriores, se utiliza electricidad procedente de fuentes renovables (electricidad de energía renovable) como fuente de energía. En aras de la simplicidad, también se supone que la electricidad de energía renovable no tiene impacto en los gases de efecto invernadero. La proporción de metano en el biogás asciende al 58 % en volumen. Los rendimientos de las reacciones corresponden a la estequiometría. El esquema del proceso se muestra en la figura 5.

En primer lugar, el biogás se separa en metano 103 y CO<2>102c en el procesamiento de biogás 3. El dióxido de carbono 102c se alimenta al reactor de metanización 11, donde se hace reaccionar éste con hidrógeno 110a, que se obtiene en el dispositivo de separación de H<2>8, para formar metano 114a. El metano 114a producido en el reactor de metanización 11 se alimenta junto con el metano 103 procedente del dispositivo 3 al reactor de disociación 4, donde se convierte éste en carbono sólido 106 e hidrógeno gaseoso 110. El carbono se separa en el filtro 5, el hidrógeno se purifica en el dispositivo 8 y se divide en dos flujos. Un primer flujo 110a se reconduce al reactor de metanización y un segundo flujo 110b se comprime y se vende como producto.

El balance de masa del procedimiento se muestra en la Tabla 2.

Como alternativa, puede prescindirse de la conversión del CO<2>contenido en el biogás en el proceso de metanización. Esto se muestra a modo de ejemplo en la figura 6. En este caso, el CO<2>se emite a la atmósfera como gas o se licua y se secuestra. El balance de masa del proceso se muestra en la Tabla 3.

Mediante la reconducción parcial del hidrógeno en el proceso de acuerdo con la figura 5 se eleva el rendimiento del carbono sólido en aproximadamente el 70 %. El rendimiento del hidrógeno, debido a la reacción de metanización, se reduce en consecuencia.

Tabla 2:

Tabla 3

Lista de referencias

<1>Invernadero

<2>Reactor de biogás

3 Procesamiento de biogás

4 Reactor

5 Filtro

<6>Dispositivo de mezclado

7 Sumidero de carbono

<8>Dispositivo de separación de H<2>

9 Central de cogeneración

<10>Reunión y preparación de H<2>

<11>Dispositivo de Fischer-Tropsch y/o de metanización<12>Fluidificación de CO<2>

13 Centro de control

14 Módulo

15 Límite de balance

Biomasa

Biogás

CO<2>

CO<2>líquido

Metano

Mezcla de metano e hidrocarburos

Corriente eléctrica

Energía externa

Mezcla de productos

Carbono como sólido

Otro sólido

Mezcla de sólidos

Fase gaseosa

Hidrógeno

Agua

Gas residual

Gas de escape

Mezcla de hidrocarburos

Calor

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para eliminar e inmovilizar dióxido de carbono (102) de la atmósfera y/o de un gas de escape (113), que comprende las etapas:

a) convertir el dióxido de carbono (102) de la atmósfera y/o de un gas de escape (113) en biomasa (100) mediante fotosíntesis, preferentemente en terrenos agrícolas, en particular en un invernadero (1),

b) realizar una reacción de biogás en la que la biomasa (100) producida en la etapa a) se convierte en biogás (101) que contiene metano (103) y dióxido de carbono (102), en particular en un reactor de biogás (2), c) separar el metano (103) del biogás (101) obtenido,

d) disociar el metano (103) en carbono (106) e hidrógeno (110), en donde se obtiene el carbono (106) como sólido, e) recoger el carbono (106) obtenido,

f) depositar el carbono (106) obtenido; y

g) hacer reaccionar el dióxido de carbono (102) del biogás con el hidrógeno (110) obtenido en la etapa d) para formar una mezcla de hidrocarburos (114).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el dióxido de carbono (102) procedente del biogás (101) obtenido tras la separación de metano (103) de acuerdo con la etapa c) se reconduce a la etapa a).

3. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos parte de la mezcla de hidrocarburos (114) obtenida en la etapa g) se introduce en la etapa d) y se divide en carbono (106) e hidrógeno (110).

4. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el biogás (101) producido en la etapa b) contiene al menos un 40 % en volumen de metano (103).

5. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la reacción de biogás comprende una reacción de fermentación anaeróbica.

6. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la separación del metano (103) en la etapa c) se realiza físicamente, en particular mediante condensación, adsorción y/o un procedimiento de membrana.

7. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la disociación del metano (103) en la etapa d) se realiza mediante un procedimiento de pirólisis y en particular a una temperatura de al menos 800 °C.

8. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el hidrógeno (110) se separa del carbono (106) tras la disociación del metano (103) de acuerdo con la etapa d), en particular mediante filtración.

9. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, tras la disociación del metano (103) en la etapa d), el hidrógeno (110) se separa de un gas residual (112), en particular mediante un procedimiento de membrana (8).

10. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el hidrógeno (110) producido en la etapa d) se utiliza al menos parcialmente como material de partida para síntesis en la industria química, como portador de energía para la generación de corriente eléctrica (104) y/o calor (115) y/o como combustible para vehículos.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado por que la energía necesaria para la disociación de acuerdo con la etapa d) se proporciona al menos parcialmente mediante el uso del hidrógeno (110) producido en la etapa d) y dado el caso del gas residual (112) y/o se genera a partir de fuentes renovables.

12. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, tras la disociación del metano (103) en la etapa d), el gas residual (112) separado del hidrógeno (110) y/o el hidrógeno (110) obtenido en la etapa d) y/o la fase gaseosa obtenida en la etapa d) se alimentan a una central eléctrica antes de la separación del hidrógeno, y el gas de escape (113) utilizado en la etapa a) procede al menos parcialmente de la central eléctrica.

13. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos las etapas a) a e) y dado el caso la etapa g) se realizan en un módulo (14).

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado por que al menos las etapas a) a e) y dado el caso la etapa g) se realizan en cada caso en al menos dos módulos (14), y los al menos dos módulos (14) están conectados a un centro de control (13) central.

15. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el carbono (106) obtenido como sólido en la etapa d) se mezcla con al menos otro sólido (107), en particular arena y/o roca, antes de la deposición de acuerdo con la etapa f).