Projeto de Gaseificação in-situ UCG (Underground Coal Gasification) Workshop "Produção regional de combustíveis limpos a partir do carvão no RS" Porto Alegre, 4 de março de 2009 REALIZAÇÃO: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS Centro de Excelência em Pesquisa sobre Armazenamento de Carbono - CEPAC APOIO: Petrobras Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis - ANP Rede Carvão

Conteúdo Aplicações; Métodos de injeção; Reações químicas; Eficiência; Definição de Gaseificação; Dados históricos; Gaseificação in-situ (UCG): Aplicações; Métodos de injeção; Reações químicas; Eficiência; Conclusões; Projetos Mundiais.

Definição de Gaseificação: A gaseificação do carvão consiste em converter carvão sólido num gás que pode ser usado para gerar energia, produzir combustíveis líquidos e produtos químicos; A gaseificação expõe o carvão a temperaturas que normalmente provocariam a sua combustão mas regulando a quantidade de oxigênio fornecida e adicionando vapor de água, o carvão origina gás de síntese (syngas: Monóxido de Carbono, Hidrogênio, Dióxido de Carbono e Metano). 3

Conversão de Carvão Na produção de energia elétrica, o carvão pode ser utilizado em queima direta que é a forma mais corrente. No entanto, atualmente desenvolvem-se outras formas mais limpas do ponto de vista ambiental: é o caso da gaseificação do carvão, que permite a produção de energia elétrica em centrais de ciclo combinado e da sua liquefação que permite a produção de combustíveis líquidos sintéticos. 4

Dados Históricos 1888 – D.I. Mendeleev expressou pela primeira vez a ideia sobre UCG. 1912 – Químico inglês William Ramsay ofereceu a tecnologia sobre UCG. 1913 – V.I. Lenin publicou o artigo “One of the great victory in technics”. 1933 – teste piloto em condições naturais para geração de gás (bacia de Moscow – “brown coals”, bacia de Donetzk – “black coals”). 1935 – o método “Flow” foi proposto para gaseificar em canais de carvão. 1935-1941 – 9 experiências em UCG foram levadas a cabo pelo método “Flow” na bacia de Moscow, bacia de Donetzk e bacia de Kuznetzk. Todos deram resultados positivos. 1946-1996 – realizados 5 testes comerciais e 2 testes piloto de UCG na antiga USSR (4 – com gaseificação de “brown coals” e 3 – com gaseificação de “black coals”). Foram obtidos 50 biliões de m3 de gás e foram gaseificadas 15 milliões de tons de carvão. 5

Dados Históricos Local de gaseificação na ex-URSS 6

Gaseificação in-situ (UCG): Esquema de gaseificação in-situ (Fonte: CEPAC, 2008) 7

Gaseificação in-situ (UCG): Aplicações Possíveis aplicações para os produtos resultantes da gaseificação in-situ (Fonte: CEPAC, 2008) 8

Gaseificação in-situ (UCG): Mapa de testes Gaseificação de carvão in-situ (UCG) no mundo (Fonte: www.co2sinus.org) 9

Gaseificação in-situ (UCG): Etapas de pesquisa em projetos de UCG: Composição e maturação do carvão; Geologia local e estrutural; Modelagem 3D da camada de carvão; Hidrogeologia local; Layout de sondagem – métodos de injeção (CRIP, Vertical,…); Controle operacional; Rocha-selo (Mecânica de rochas); Subsidência. A escolha do método de injeção depende de parâmetros tais como: circulação de gás na camada; ponto onde ocorre a ignição. 10

Gaseificação in-situ (UCG): Métodos de injeção Fonte: Carbon Energy Fonte: Carbon Energy 11

Gaseificação in-situ (UCG): Métodos de injeção Fonte: Carbon Energy Fonte: Carbon Energy 12

Gaseificação in-situ (UCG): Fonte: CARBON ENERGY e CSIRO, 2006 13

Gaseificação in-situ (UCG): Reações químicas Reação ΔH (kJ/mol) Nota Gaseificação (geração do gás de síntese) C (s) + H2O (g) <=> H2 (g) + CO (g) +118,5 Endotérmica Conversão CO(g) + H2O (g) <=> H2(g) + CO2 (g) -42,3 Exotérmica Formação de metano CO (g) + 3H2 (g) <=> CH4 (g) + H2O (g) -206,0 Gaseificação com hidrogénio C(s) + 2H2 (g) <=> CH4 (g) -87,5 Oxidação Parcial C(s) + ½ O2 (g) <=> CO (g) -123,1 Oxidação C(s) + O2 (g) <=> CO2 (g) -406,0 Boudouard C(s) + CO2 (g) <=> 2CO (g) +159,9 14

Gaseificação in-situ (UCG): Eficiência Fonte: Clean Coal Technologies for Power Generation, a South African perspective, 2007) 15

Gaseificação in-situ (UCG): 16

Eficiência na geração de electricidade Gaseificação in-situ (UCG): Eficiência Descrição do processo Eficiência na geração de electricidade (% poder calorífico de carvão consumido) UCG com ar 45.40 UCG com O2 46.50 UCG com O2 + CCS 39.80 Carvão convencional ~ 37 IGCC ~ 45 Fonte: “Optimisation of underground coal gasification for improved performance and reduced environmental impact” CSIRO Exploration and mining Sustainable Mining Research group. 17

Gaseificação à Superfície Gaseificação in-situ (UCG): Vantagens Desvantagens UCG Permite retirar energia de camadas de carvão que atualmente são economicamente não viáveis Possibilidade de transmissão de gases da zona de combustão para os estratos adjacentes Consume menos água e gera menos poluição Possibilidade de contaminação de aquíferos Os custos com investimento capital e de produção de gás de síntese são reduzidos pelo menos 25% comparado com gaseificação à superfície Possibilidade de ocorrer subsidência Gaseificação à Superfície Flexibilidade para construção em qualquer lugar sem ter em atenção aspectos geográficos entre outros Requer mineração convencional e transporte até ao gaseificador Permite um maior controlo do processo pois é feita em reator químico – controlo sobre todas as variáveis Custos capital elevados associados a todo o equipamento necessário Perdas de gás são mínimas Requer grandes quantidades de água Fonte: “Viability of Underground Coal Gasification in the “Deep Coals” of the powder river basin,Wyoming”, Gás Tech, Inc. June 2007”. 18

Gaseificação in-situ (UCG): Comparação de carvão gaseificado em planta à superfície acoplado a IGCC vs UCG acoplado com IGCC. (preço em US$) Gaseificador superfície + IGCC UCG + IGCC % Vantagem UCG Capital/kW Instalado $1,544 $1,180 24% Custo operacional, $/MW-hr trabalho $21.99 $11.96 46% Preço para 15% retorno de investimento $80.60 $51.68 36% Taxa de retorno (descontada) 10.4% 18.3% 75% Pagamento (anos) 10.77 7.64 29% Fonte: “Viability of Underground Coal Gasification in the “Deep Coals” of the powder river basin,Wyoming”, Gás Tech, Inc. June 2007”. 19

Gaseificação in-situ (UCG): Layout do projeto Fonte: CEPAC, 2008. 20

Gaseificação in-situ (UCG): Impactos ambientais - ar 21

Gaseificação in-situ (UCG): Impactos ambientais - solo Fonte: “Groundwater pollution from underground coal gasification” , 2007, Journal of China University of Mining & Technology 22

Gaseificação in-situ (UCG): Impactos ambientais - solo Fonte: “Groundwater pollution from underground coal gasification” , 2007, Journal of China University of Mining & Technology 23

Gaseificação in-situ (UCG): Medidas de controlo ambiental Pós-operacional Para minimizar a geração de contaminantes a partir da pirólise deve-se: acelerar o arrefecimento da cavidade e evitar o aumento da pressão na cavidade; retirar a água da cavidade através de bombeamento, mantendo um gradiente hidrostático; maximizar a remoção de contaminantes, orgânicos e inorgânicos, do sub-solo, com o recurso a bombeamento e realizar tratamento posterior a superfície. 24

Gaseificação in-situ (UCG): Medidas de controlo ambiental Pós-operacional Pode também realizar-se biorremediação do solo para evitar propagação da contaminação para os extratos adjacentes; Pode ser colocada uma barreira permeável á água e que faça a retenção de contaminantes como metais pesados; Fazer injeção de solução aquosa de hidróxido de amônia ou de metais alcalinos para solubilizar os fenóis gerados no processo. 25

Gaseificação in-situ (UCG): Conclusões UCG aparece como uma tecnologia viável e competitiva para a geração de energia; UCG apresenta vários benefícios ambientais como por exemplo: redução de emissão de gases de efeito de estufa; não há necessidade de mineração tradicional; sem necessidade de tratamento das cinzas, drenagem ácida e rejeitos de lavadores; Possibilidade de realizar seqüestro de carbono na cavidade formada através da re-injecção do mesmo como agente oxidante. 26

Projetos Mundiais 1955 – planta comercial de UCG começou a operar na antiga União Soviética. Angren (Uzbekistão) continua a operar hoje (desde 1955); 1958 – 1987 – sites de demonstração nacionais nos EUA, EU e Nova Zelândia; 1990’s – Operações de UCG iniciam-se na China para extrair o remanescente do trabalho de mineração; 1997 – teste piloto El Tremedal, Espanha; 1999 – teste piloto com sucesso em Chinchilla, Austrália; 2007- 2008 – projeto Majuba na África do Sul. 27

Projetos Mundiais África do Sul Foram consumidas 4950 tons de carvão; Gás produzido = 22.545.000 Nm3; Não foi observada contaminação do aquífero devido à atividade de UCG; UCG-IGCC promove uma redução de 25% na emissão de gases de efeito de estufa, comparando com plantas convencionais; Até agora não foi observada ocorrência de subsidência; 28

Projetos Mundiais África do Sul O projeto decorre à 22 meses; Não foram notados impactos ambientais significativos; Impacto à superfície foi mínimo na pós-gaseificação; Tem como objetivo criar uma planta IGCC com capacidade de 2100 MW operando com syngas proveniente de UCG. 29

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Luis Miguel Bordalo Filipe : lmfilipe@hotmail.com FIM Obrigado pela atenção Luis Miguel Bordalo Filipe : lmfilipe@hotmail.com 31