La gasificación como solución clave de la descarbonización

CENER colabora activamente con diversos agentes industriales para llevar a cabo ensayos a escala de demostración en su unidad de gasificación BIO2C, con el fin de validar la tecnología en condiciones reales y comercialmente relevantes. Demostrar la estabilidad operativa a largo plazo, la eficiencia y la viabilidad económica del proceso de gasificación con cada materia prima es esencial para generar confianza entre los socios industriales, apoyar su futura implantación a escala industrial y facilitar la inversión en soluciones avanzadas de bioenergía. Mediante su infraestructura semiindustrial, CENER ofrece una plataforma de ensayos de alto valor añadido para cerrar la brecha entre la investigación de laboratorio y la implementación comercial a gran escala.

La Directiva de Energías Renovables III de la Unión Europea (DER III), adoptada en 2023, representa un avance significativo en la ambición europea de alcanzar la neutralidad climática para 2050. Al elevar el objetivo de energías renovables al 42,5 % (con un 45 % como meta aspiracional), refuerza el papel de los biocombustibles avanzados y otros combustibles renovables de origen no biológico (RFNBO) en la descarbonización de sectores difíciles de electrificar, como el transporte aéreo, marítimo y la industria pesada.

Entre las tecnologías que pueden capitalizar estos desarrollos normativos se encuentra la gasificación, un proceso termoquímico capaz de convertir una amplia gama de residuos sólidos y biomasa en gas de síntesis (syngas), que puede transformarse en combustibles y productos químicos avanzados. Así, la gasificación presenta oportunidades únicas alineadas con los objetivos de la DER III y las disposiciones del Anexo IX.

Una de las oportunidades más importantes que ofrece la gasificación es su capacidad para producir combustibles avanzados, esenciales para la descarbonización de sectores donde la electrificación directa no es técnicamente viable, económicamente práctica o demasiado lenta de implementar. Estos sectores incluyen aviación, transporte marítimo, transporte pesado, industria química y los sectores industriales de alta intensidad energética, todos ellos considerados prioritarios en la DER III para una descarbonización acelerada mediante biocombustibles avanzados y RFNBOs. De este modo, la gasificación facilita la producción de combustibles avanzados, fundamentales para aquellos sectores donde la electrificación directa presenta limitaciones, mediante:

• Metanol renovable: Producido a partir de syngas, el metanol renovable se utiliza como combustible marítimo, materia prima química y vector de hidrógeno.
• Líquidos Fischer-Tropsch (FT): El syngas valorizado mediante síntesis FT proporciona diésel sintético, combustible de aviación (SAF) y nafta. Estos combustibles drop-in son sustitutos directos de los fósiles en aviación, transporte pesado y petroquímica.
• Gas Natural Sintético (SNG): El SNG se produce mediante metanación del syngas y puede sustituir al gas natural de origen fósil en calefacción, suministro energético industrial, así como facilitar el almacenamiento flexible dentro de infraestructuras existentes.
• Hidrógeno renovable (H₂): El hidrógeno extraído del syngas mediante water-gas shift y posterior separación se utiliza en industria, movilidad, producción de combustibles renovables y almacenamiento energético, complementando al hidrógeno electrolítico.
• Amoniaco (NH₃): El amoniaco verde se sintetiza a partir de hidrógeno renovable y se emplea en fertilizantes, transporte marítimo y como vector de hidrógeno, descarbonizando sectores como la agricultura y el transporte marítimo.
• Éter dimetílico (DME): El DME, producido a partir de syngas o metanol, es un sustituto del GLP y una alternativa al diésel, reduciendo emisiones en el transporte y en aplicaciones donde la electrificación es limitada.
• Biochar / Co-productos de carbono sólido: Algunos sistemas de gasificación generan biochar que puede mejorar la calidad del suelo y puede generar créditos de eliminación de carbono.
• Calor renovable de alta temperatura en procesos industriales: El syngas puede alimentar procesos industriales de alta temperatura, como la producción de cemento y acero, o la calcinación de calcita o magnesita, o procesos de sinterización, entre otros ejemplos.

Estas aplicaciones permiten cumplir objetivos específicos de DER III utilizando materias primas del Anexo IX-A (residuos agrícolas y forestales, madera industrial, fracciones biogénicas de RSU), contribuyendo directamente a los objetivos de descarbonización y economía circular de la UE.

CERRANDO LA BRECHA: LA NECESIDAD DE VALIDACIÓN TÉCNICA

Aunque la gasificación tiene gran potencial para transformar biomasa, biorresiduos y residuos en combustibles y productos químicos renovables, su escalado enfrenta desafíos técnicos críticos. Más allá de las políticas y mercados promovidos por la DER III, la tecnología debe ofrecer un rendimiento fiable y consistente en condiciones reales.

En este sentido, existen dos puntos críticos a tener en cuenta; el comportamiento de cada materia prima específica durante la gasificación, y la eficacia de los sistemas de limpieza y acondicionamiento del gas. Sin una validación sólida a escala demostrativa de ambos aspectos, la transición de proyectos piloto a iniciativas comerciales será limitada.

Uno de los desafíos técnicos fundamentales en el escalado de la gasificación radica en la variabilidad y complejidad de las materias primas. Según el Anexo IX-A de la Directiva DER III, los materiales elegibles abarcan un amplio espectro de residuos agrícolas, residuos forestales, subproductos industriales y las fracciones biogénicas de los residuos sólidos urbanos (RSU) y de los combustibles sólidos recuperados (CSR). Estas materias primas heterogéneas presentan diferencias significativas en propiedades físicas y químicas clave, como el contenido de humedad, composición de elementos minoritarios (N, Cl, S), composición y fusibilidad de cenizas, contenido de materia volátil, densidad aparente, poder calorífico y tamaño de partícula. Esta variabilidad afecta directamente a la viabilidad de la planta, ya que el comportamiento del material dentro del gasificador, influye en la eficiencia de conversión del carbono, la calidad del gas de síntesis y el rendimiento global de la planta. Además, la heterogeneidad de la materia prima puede generar problemas operativos, como sinterización, corrosión, y fallos en los sistemas de alimentación como bloqueos y desgaste de los equipos, entre otros. Para mitigar estos riesgos y garantizar un funcionamiento estable, predecible y viable, es esencial realizar una validación experimental del comportamiento de cada materia prima específica, mediante su caracterización y ensayos a escala demostrativa. Este proceso implica definir unas condiciones operativas seguras y eficientes para distintos tipos y mezclas de materia prima, incluyendo el diseño y control de los sistemas de pretratamiento (secado, astillado, homogeneización…), mecanismos de alimentación, condiciones de operación del gasificador, y configuraciones del reactor.

Otro aspecto clave para el éxito comercial de la gasificación es la producción de syngas que cumpla con los requisitos de pureza necesarios para las rutas de síntesis posteriores. Ya se trate de metanol, líquidos Fischer-Tropsch, gas natural sintético o hidrógeno renovable como productos finales, el syngas debe estar libre de impurezas para no dañar los catalizadores y garantizar un funcionamiento fiable y sostenido del proceso a largo plazo. Es imprescindible eliminar contaminantes como alquitrán, partículas sólidas, compuestos de azufre, nitrógeno, cloro, elementos alcalinos y metales pesados.

Es por ello que CENER está trabajando con diversos agentes industriales del sector en campañas de ensayos a escala demostración en su unidad de gasificación en el BIO2C, dado que la validación es crucial para demostrar la estabilidad operativa a largo plazo, la eficiencia y la viabilidad económica de estos sistemas bajo condiciones comerciales reales. Dicha validación debe confirmar que tanto las fluctuaciones en las características de las materias primas como las soluciones de limpieza del gas pueden mantener un rendimiento constante, y funcionar dentro de los parámetros económicos requeridos para la viabilidad de los proyectos.

La planta de gasificación de CENER es una instalación de tamaño semiindustrial, con una capacidad térmica nominal de 2 MW, capaz de generar gas de síntesis apto para diversos usos. La planta está compuesta por un sistema de alimentación, un gasificador atmosférico de lecho fluido burbujeante, un sistema piloto de limpieza de gas, un sistema de combustión de syngas, y diversos sistemas auxiliares necesarios para llevar a cabo el proceso. En operación desde 2012, ha sido diseñada para trabajar con una amplia variedad de biomasas, con densidades aparentes entre 80 y 800 kg/m³ y contenidos de humedad inferiores al 20 %. Esta planta de gasificación se basa en la tecnología de lecho fluido burbujeante atmosférico (ABFB) y puede operar en dos modos distintos: utilizando aire como agente gasificante, o bien vapor/oxígeno como agentes gasificantes.

La escala de la planta desempeña un papel crucial para garantizar que los resultados obtenidos sean válidos y transferibles a su uso industrial. Nuestra unidad de gasificación fue diseñada específicamente con una capacidad nominal de 2 MW para replicar las condiciones de operación de un gasificador industrial a gran escala, lo que permite que los resultados sean directamente aplicables a proyectos reales. Por el contrario, los gasificadores de menor escala presentan pérdidas de calor proporcionalmente mayores, lo que distorsiona parámetros clave como la relación oxígeno-combustible, y por lo tanto el rendimiento del proceso, generando condiciones de operación que no son representativas de los entornos comerciales. Además, en lechos fluidos de menor diámetro, el comportamiento de fluidización y la distribución del combustible en la sección transversal del lecho fluido difieren significativamente, lo que a menudo conduce a datos de rendimiento imprecisos o no escalables. Con un diámetro interno de 1,1 metros, nuestro lecho fluido reproduce fielmente la hidrodinámica de los sistemas industriales, proporcionando un entorno fiable y realista para la validación y optimización de procesos.

Como parte de los ensayos de validación del proceso de gasificación, CENER lleva cabo un trabajo de caracterización exhaustivo, que incluye el análisis de las propiedades de las materias primas, tales como contenido de humedad, cenizas y composición elemental, así como la caracterización detallada del gas de síntesis sucio y limpio, con el objetivo de evaluar su composición, niveles de contaminantes y estabilidad. Adicionalmente, se realiza el análisis del carbón sólido (char), con el fin de comprender mejor la eficiencia de conversión y las posibilidades de valorización de estos subproductos. El comportamiento de fusibilidad de las cenizas se evalúa en condiciones reales mediante el monitoreo de las condiciones de fluidización del lecho durante la prueba y mediante la caracterización de las propiedades físicas y químicas del lecho al final de la misma. Estas actividades son fundamentales para la optimización del funcionamiento del gasificador, la mejora de la fiabilidad del proceso y la generación de datos que respalden tanto el escalado tecnológico como la integración con las rutas de síntesis de combustibles posteriores.

Además de su función en la validación y demostración tecnológica, la planta de gasificación de CENER también actúa como una plataforma para formación práctica in situ, con el apoyo y la orientación del equipo técnico especializado de CENER. Este entorno de formación aplicada permite que ingenieros, técnicos y profesionales del sector adquieran experiencia directa en la operación y gestión de procesos de gasificación en condiciones reales. Gracias a la experiencia del personal de CENER y al acceso a una instalación semiindustrial que reproduce fielmente los sistemas a escala industrial, los participantes desarrollan habilidades técnicas y conocimientos operativos que son directamente transferibles a plantas comerciales.

Las líneas prioritarias de investigación de CENER en el ámbito de la gasificación están estratégicamente alineadas con el objetivo de transformar biomasa y corrientes residuales de bajo valor en biocombustibles renovables de alto impacto y productos bio-basados. Uno de los ejes centrales es la producción de biometano mediante metanación de syngas, una tecnología que proporciona un vector energético gestionable y una ruta directa hacia el gas natural renovable, apto tanto para su inyección en la red gasista existente como para su uso en los sectores del transporte y la industria.

Adicionalmente, una línea emergente e innovadora de interés en CENER se centra en la valorización biológica del gas de síntesis mediante procesos de conversión microbiana. En concreto, el centro está investigando el uso del syngas como fuente de carbono y energía en un proceso de fermentación multi-etapa para la producción de aceites microbianos. Estos lípidos microbianos pueden utilizarse como materias primas sostenibles para la producción de biodiésel, combustibles de aviación y compuestos bio-basados, ofreciendo así un complemento biotecnológico a la producción termoquímica de biocombustibles. Esta línea de investigación abre nuevas oportunidades para la integración de la gasificación con bioprocesos avanzados, dentro de conceptos híbridos de biorrefinería.

En conjunto, el escalado tecnológico, validación e investigación reflejan el compromiso de CENER con el desarrollo de una base científica y técnica sólida para el despliegue de sistemas de gasificación flexibles, modulares y versátiles en cuanto a materia prima. Al permitir que el gas de síntesis actúe como una plataforma versátil para la obtención de múltiples productos finales, CENER busca contribuir al desarrollo de soluciones integradas y comercialmente viables que impulsen los objetivos de la UE en energía renovable, economía circular y neutralidad climática.