Aprovechamiento térmico de residuos estériles de carbón para generación eléctrica mediante tecnologías de combustión y gasificación eficientes y con mínimo impacto ambiental

La presente tesis doctoral, “Aprovechamiento térmico de residuos estériles de carbón para generación eléctrica mediante tecnologías de combustión y gasificación eficientes y con mínimo impacto ambiental”, desarrolla la valorización energética de los residuos del carbón, estériles de carbón, producidos durante las etapas de extracción y lavado del carbón. El sistema energético se encuentra en una encrucijada, estamos asistiendo a un cambio en el paradigma energético y, en concreto, en el sector de la generación eléctrica. Se precipita un cambio en la generación y el consumo eléctricos. Una mayor concienciación por la salud está forzando la contención y eliminación de agentes contaminantes que se generan por la utilización de combustibles fósiles de la forma en la que se viene haciendo. Aumenta la preocupación por el cambio climático y por contener en 2°C el aumento de la temperatura de la Tierra para final de este siglo, circunstancia que está impulsando el desarrollo e implantación definitiva de tecnología de control y reducción de emisiones CO2. Generar electricidad de una manera sostenible se está convirtiendo en una obligación. Esto se materializa en generar electricidad respetando el medioambiente, de una forma eficiente en la utilización de los recursos naturales y a un coste competitivo, pensando en el desarrollo de la sociedad y en el beneficio de las personas. En la actualidad, el carbón es la principal fuente de energía utilizada para generar electricidad, y su empleo presenta la forma de energía más barata para mejorar el nivel de vida de cualquier grupo y sociedad. Además, se espera que el carbón siga presente en el mix de generación eléctrica, manteniendo una significativa presencia y extrayéndose en elevadas cantidades. Pero la producción de carbón lleva asociada la generación de un residuo, estéril, que se produce durante la extracción y el lavado del mineral de carbón. Durante décadas se ha estudiado la posibilidad de utilizar el estéril y actualmente se utiliza, en un limitado porcentaje, en la construcción de carreteras, terraplenes y rellenos, y en la producción de algunos materiales de construcción. Esta tesis doctoral aborda la valorización energética del estéril, y analiza el potencial aprovechamiento del residuo para generar electricidad, en una instalación que integre tecnología disponible para minimizar el impacto medioambiental. Además, persigue aprovechar el significativo contenido en azufre que presenta el estéril para producir ácido sulfúrico (H2SO4) como subproducto de la instalación, un compuesto químico muy demandado por la industria de los fertilizantes y con multitud de aplicaciones en otros mercados. Se ha realizado el análisis de caracterización del estéril, los parámetros significativos y los valores de referencia para su empleo como combustible, encontrándose que su empleo como combustible para generar electricidad es posible. Aunque en España se lleva extrayendo carbón desde principios del siglo XVIII, se ha evaluado para un período más reciente la disponibilidad del recurso en España y la normativa existente que condiciona su aplicación en el territorio nacional. Para el período evaluado, se ha calculado que podrían estar disponibles más de 68 millones de toneladas de estéril susceptibles de ser valorizados energéticamente. Una vez realizado el análisis de la tecnología disponible y que podría considerarse para emplear el estéril como combustible, se proponen cuatro configuraciones posibles de planta, tres de ellas basadas en un proceso de combustión y una de ellas en un proceso de gasificación. Tras evaluar las cuatro configuraciones por su interés tecnológico, innovador y económico, se desarrolla el análisis conceptual de una de ellas, basada en un proceso de combustión. La instalación propuesta tiene una capacidad de 65 MW y emplea como combustible una mezcla de carbón y estéril en relación 20/80 en peso. La instalación integra tecnología para eliminar en un 99,8% el SO2 presente en el gas de combustión y en más de un 99% las partículas generadas. La instalación incorpora una unidad de producción de H2SO4, capaz de producir 18,5 t/h de producto, y otra unidad de captura para retirar un 60% del CO2 presente en la corriente de gases de combustión, produciendo 48 tCO2/h. La potencia neta de la planta es 49,7 MW. Se ha calculado el coste de inversión de la instalación, y su cálculo resulta en un coste de inversión unitario de 3.685 €/kW. ABSTRACT The present doctoral thesis, “Thermal utilisation of waste coal for electricity generation by deployment of efficient combustion and gasification technologies with minimum environmental impact”, develops an innovative waste-to-energy concept of waste coals produced during coal mining and washing. The energy system is at a dilemma, we are witnessing a shift in the energy paradigm and specifically in the field of electricity generation. A change in the generation and electrical consumption is foreseen. An increased health consciousness is forcing the containment and elimination of pollutants that are generated by the use of fossil fuels in the way that is being done. Increasing concern about climate change and to contain the rise of global temperature by 2°C by the end of this century, is promoting the development and final implementation of technology to control and reduce the CO2 emission. Electricity generation in a sustainable manner is becoming an obligation. This concept materialised in generating electricity while protecting the environment and deployment of natural resources at a competitive cost, considering the development of society and people´s benefit. Currently, coal is the main source of energy employ to generate electricity, and its use represents the most cost competitive form of energy to increase the standard of living of any group or society. Moreover, coal will keep playing a key role in the global electricity generation mix, maintaining a significant presence and being extracting in large amounts. However, coal production implies the production of waste, termed waste coal or culm in Pennsylvania anthracite extraction, produced during coal mining and coal washing activities. During the last decades, the potential use of waste coal has been studied, and currently, in a limited amount, waste coal is used in roads construction, embankments and fillings, and to produce some construction materials. This doctoral thesis evaluates the waste to energy of waste coals and assesses its potential use to generate electricity, implementing available technology to minimise the environment impact. Additionally, it pursues the significant advantage that presents sulphur content in waste coal to produce sulphuric acid (H2SO4) as a byproduct of the waste-to-energy process, a chemical compound highly demanded by the fertiliser industry and many applications in other markets. It analyses the characteristics of waste coal, and assesses the significant parameters and reference values for its use as fuel, being its fuel use for electricity generation very possible. While mining coal is taking place in Spain since the 1700s, it has been evaluated for a more recent period the waste coal available in Spain and the existing legislation that affects its application and deploy to generate electricity in the country. For the evaluation period has been calculated that may be available more than 68 million tons of waste coal that can be waste-toenergy. The potential available technology to deploy waste coal as fuel has been evaluated and assessed. After considering this, the doctoral thesis proposes four innovative alternatives of facility configuration, three of them based on a combustion process and one in a gasification process. After evaluating the four configurations for its technological, innovative and economic interest, the conceptual analysis of one of alternatives, based on a combustion process, takes place. The proposed alternative facility developed has a capacity of 65 MW, using as fuel a mixture of coal and waste coal 80/20 by weight. The facility comprises technology to remove 99.8% SO2 present in the flue gas and more than 99% of the particles. The facility includes a unit capable of producing 18.5 t/h of H2SO4, and another capture facility, removing 60% of CO2 present in the flue gas stream, producing 48 tCO2/h. The net capacity of the power station is 49.7 MW. The facility unitary cost of investment is 3,685 €/kW.

Metodología para la determinación de los parámetros de planificación de los nodos e infraestructuras logísticas en un territorio, considerando en su planificación el impacto sobre los diferentes componentes territoriales

Esta tesis presenta el diseño y la aplicación de una metodología que permite la determinación de los parámetros para la planificación de nodos e infraestructuras logísticas en un territorio, considerando además el impacto de estas en los diferentes componentes territoriales, así como en el desarrollo poblacional, el desarrollo económico y el medio ambiente, presentando así un avance en la planificación integral del territorio. La Metodología propuesta está basada en Minería de Datos, que permite el descubrimiento de patrones detrás de grandes volúmenes de datos previamente procesados. Las características propias de los datos sobre el territorio y los componentes que lo conforman hacen de los estudios territoriales un campo ideal para la aplicación de algunas de las técnicas de Minería de Datos, tales como los ´arboles decisión y las redes bayesianas. Los árboles de decisión permiten representar y categorizar de forma esquemática una serie de variables de predicción que ayudan al análisis de una variable objetivo. Las redes bayesianas representan en un grafo acíclico dirigido, un modelo probabilístico de variables distribuidas en padres e hijos, y la inferencia estadística que permite determinar la probabilidad de certeza de una hipótesis planteada, es decir, permiten construir modelos de probabilidad conjunta que presentan de manera gráfica las dependencias relevantes en un conjunto de datos. Al igual que con los árboles de decisión, la división del territorio en diferentes unidades administrativas hace de las redes bayesianas una herramienta potencial para definir las características físicas de alguna tipología especifica de infraestructura logística tomando en consideración las características territoriales, poblacionales y económicas del área donde se plantea su desarrollo y las posibles sinergias que se puedan presentar sobre otros nodos e infraestructuras logísticas. El caso de estudio seleccionado para la aplicación de la metodología ha sido la República de Panamá, considerando que este país presenta algunas características singulares, entra las que destacan su alta concentración de población en la Ciudad de Panamá; que a su vez a concentrado la actividad económica del país; su alto porcentaje de zonas protegidas, lo que ha limitado la vertebración del territorio; y el Canal de Panamá y los puertos de contenedores adyacentes al mismo. La metodología se divide en tres fases principales: Fase 1: Determinación del escenario de trabajo 1. Revisión del estado del arte. 2. Determinación y obtención de las variables de estudio. Fase 2: Desarrollo del modelo de inteligencia artificial 3. Construcción de los ´arboles de decisión. 4. Construcción de las redes bayesianas. Fase 3: Conclusiones 5. Determinación de las conclusiones. Con relación al modelo de planificación aplicado al caso de estudio, una vez aplicada la metodología, se estableció un modelo compuesto por 47 variables que definen la planificación logística de Panamá, el resto de variables se definen a partir de estas, es decir, conocidas estas, el resto se definen a través de ellas. Este modelo de planificación establecido a través de la red bayesiana considera los aspectos de una planificación sostenible: económica, social y ambiental; que crean sinergia con la planificación de nodos e infraestructuras logísticas. The thesis presents the design and application of a methodology that allows the determination of parameters for the planning of nodes and logistics infrastructure in a territory, besides considering the impact of these different territorial components, as well as the population growth, economic and environmental development. The proposed methodology is based on Data Mining, which allows the discovery of patterns behind large volumes of previously processed data. The own characteristics of the territorial data makes of territorial studies an ideal field of knowledge for the implementation of some of the Data Mining techniques, such as Decision Trees and Bayesian Networks. Decision trees categorize schematically a series of predictor variables of an analyzed objective variable. Bayesian Networks represent a directed acyclic graph, a probabilistic model of variables divided in fathers and sons, and statistical inference that allow determine the probability of certainty in a hypothesis. The case of study for the application of the methodology is the Republic of Panama. This country has some unique features: a high population density in the Panama City, a concentration of economic activity, a high percentage of protected areas, and the Panama Canal. The methodology is divided into three main phases: Phase 1: definition of the work stage. 1. Review of the State of the art. 2. Determination of the variables. Phase 2: Development of artificial intelligence model 3. Construction of decision trees. 4. Construction of Bayesian Networks. Phase 3: conclusions 5. Determination of the conclusions. The application of the methodology to the case study established a model composed of 47 variables that define the logistics planning for Panama. This model of planning established through the Bayesian network considers aspects of sustainable planning and simulates the synergies between the nodes and logistical infrastructure planning.