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000151734 1001_ $$aPerpiñán Hinarejos, Jorge
000151734 24500 $$aInnovative proposals for the integration of Power to Gas systems in the Iron and Steel Industry
000151734 260__ $$aZaragoza$$bUniversidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad$$c2024
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000151734 4900_ $$aTesis de la Universidad de Zaragoza$$v2025-89$$x2254-7606
000151734 500__ $$aPresentado: 20 12 2024
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000151734 506__ $$aby-nc$$bCreative Commons$$c3.0$$uhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/es
000151734 520__ $$aLas emisiones globales de CO2 provenientes de la combustión de energía y de procesos industriales alcanzaron su nivel anual más alto en 2021, experimentando un aumento del 6% en comparación con 2020. Esto llevó las emisiones a un total de 36,3 gigatoneladas (Gt) en 2021. El carbón contribuyó significativamente al aumento de las emisiones, siendo responsable de más del 40% de ellas, alcanzando un récord de 15,3 Gt. Las emisiones de gas natural también superaron los niveles de 2019 con 7,5 Gt. El sector industrial emitió 9,4 Gt de CO2 en 2021, comprendiendo una cuarta parte de las emisiones globales. La industria del hierro y el acero es una de las mayores emisoras, responsable del 11% de las emisiones de CO2 relacionadas con la industria. El escenario de Emisiones Netas Cero prevé reducir las emisiones industriales aproximadamente 7 Gt de CO2 para 2030 mediante una mejor eficiencia energética, una mayor adopción de energías renovables y procesos de producción de bajo carbono. En el Escenario de Cero Neto, alrededor del 60% de las reducciones de emisiones en las industrias pesadas para 2050 dependerán de tecnologías que aún no están listas para el mercado. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis es profundizar en las tecnologías innovadoras que pueden contribuir a lograr el Escenario de Cero Neto para la industria en general, con un enfoque especial en la industria del hierro y el acero. Un enfoque prometedor es la tecnología Power to Gas (PtG). PtG implica el uso de electricidad renovable para alimentar electrolizadores que descomponen el agua, generando hidrógeno verde. Este hidrógeno puede luego combinarse con CO2 para producir gas natural sintético, que puede ser utilizado como combustible dentro de la industria. Este proceso recicla efectivamente el CO2 y previene su liberación a la atmósfera. Para lograr este objetivo principal, se realizaron dos estudios preliminares en dos industrias diferentes: vidrio y acero. Los resultados se publicaron en dos artículos: i. Cristian Barón, Jorge Perpiñán, Manuel Bailera, Begoña Peña. 2023. “Technoeconomic assessment of glassmaking decarbonization through integration of calcium looping carbon capture and power-to-gas technologies”. Sustainable Production and Consumption 41 (2023) 121–133. doi: 10.1016/j.spc.2023.07.029 ii. Jorge Perpiñán, Manuel Bailera, Luis M. Romeo, Begoña Peña, and Valerie Eveloy. 2021. “CO2 Recycling in the Iron and Steel Industry via Power-to-Gas and Oxy-Fuel Combustion.” Energies 14(21):7090. doi: 10.3390/en14217090. La tecnología PtG ofrece un potencial significativo para la descarbonización de las industrias del vidrio y del acero. El sector del vidrio puede lograr reducciones más significativas en la intensidad de carbono en comparación con la industria del acero, para la cual, debido a su complejidad, se logran reducciones menores. Esto resalta el considerable potencial de reducción de emisiones de la tecnología PtG, enfatizando la necesidad de investigación adicional en la industria del acero para lograr mayores reducciones de emisiones. A pesar de los aspectos prometedores, es crucial reconocer que los costes asociados son actualmente altos. Sin embargo, existe potencial para una reducción significativa de costes mediante ajustes en los precios de la electricidad y el impuesto al CO2. En consecuencia, se investigan más a fondo la captura de carbono en la industria del acero y la integración de PtG en este sector, con los resultados detallados en las siguientes publicaciones: iii. Jorge Perpiñán, Begoña Peña, Manuel Bailera, Valerie Eveloy, Pravin Kannan, Abhijeet Raj, Pilar Lisbona, and Luis Miguel Romeo. 2022. “Integration of Carbon Capture Technologies in Blast Furnace Based Steel Making: A Comprehensive and Systematic Review.” Fuel 336 (2023) 127074. doi: 10.1016/j.fuel.2022.127074. iv. Jorge Perpiñán, Manuel Bailera, Begoña Peña, Luis Miguel Romeo, and Valerie Eveloy. 2022. “Technical and Economic Assessment of Iron and Steelmaking Decarbonization via Power to Gas and Amine Scrubbing.” Energy 276 (2023) 127616. doi: 10.1016/j.energy.2023.127616 v. Jorge Perpiñán, Manuel Bailera, Begoña Peña, Luis M. Romeo, and Valerie Eveloy. 2023. “High Oxygen and SNG Injection in Blast Furnace Steelmaking with Power to Gas Integration and CO2 Recycling.” Journal of Cleaner Production 405 (2023) 137001. doi: 10.1016/j.jclepro.2023.137001. vi. Jorge Perpiñán, Manuel Bailera, Begoña Peña, Pravin Kannan, Valerie Eveloy, and Luis M. Romeo. 2023. “Power to Gas and Top Gas Recycling Integration in an Oxygen Blast Furnace Steelmaking Industry.” Journal of CO2 Utilization 78 (2023) 102634. doi: 10.1016/j.jcou.2023.102634. vii. Jorge Perpiñán, Manuel Bailera, Begoña Peña, Valerie Eveloy, and Luis M. Romeo. 2023. “Full oxygen blast furnace steelmaking: from direct hydrogen injection to methanized BFG injection.” Energy conversion and management 295 (2023) 117611. doi: 10.1016/j enconman.2023.117611 viii. Jorge Perpiñán, Manuel Bailera, Begoña Peña and Luis M. Romeo. 2024. “Outline of all potential Power to Gas integrations in blast furnace ironmaking”. Renewable and Sustainable Energy Reviews. doi: 10.1016/j.rser.2024.114605. La integración exitosa de PtG enfrenta dos desafíos principales: la necesidad de mayores TRL para componentes como los altos hornos de oxígeno, la metanización o la captura de carbono; y abordar los altos costes asociados, en términos de CAPEX y OPEX. La segunda parte de esta tesis se centra en experimentar con diferentes componentes del sistema Power to Gas. Específicamente, implica investigar la reacción de metanización en TRL 4 y examinar la etapa de captura de carbono en TRL 6. La reacción de metanización se llevó a cabo en las instalaciones de UNIZAR, donde se compararon varios catalizadores y se estudió la conversión de CO2 a metano. La investigación sobre captura de carbono tuvo lugar en las instalaciones de voestalpine y K1-MET, enfocándose en la absorción con aminas para capturar CO2 de gases de combustión reales generados en la planta siderúrgica (voestalpine, Linz, Austria). Los resultados de ambos experimentos se han recopilado en los siguientes artículos: ix. Manuel Bailera, Pilar Lisbona, Begoña Peña, Andreina Alarcón, Jordi Guilera, Jorge Perpiñán, and Luis Miguel Romeo. 2022. “Synthetic Natural Gas Production in a 1 KW Reactor Using Ni-Ce/Al2O3 and Ru-Ce/Al2O3: Kinetics, Catalyst Degradation and Process Design.” Energy 256 (2022) 124720. doi: 10.1016/j.energy.2022.124720. Entre los hallazgos clave, se propone y analiza un enfoque innovador en la industria del vidrio que combina Calcium-Looping y metanización de CO2, logrando hasta un 80% de reducción de emisiones con penalizaciones energéticas específicas de 35,8 MJ/kgCO2. En el sector del hierro y el acero, se examinaron varios escenarios de integración de PtG, emergiendo un alto horno de oxígeno con metanización de CO2 y reciclaje de gas superior de horno como el más efectivo, ofreciendo reducciones sustanciales de CO2 (30 %), menor penalización energética (12 MJ/kgCO2) y eficiencia en costes (216 €/tCO2 y 130 €/tHM) sin necesidad de almacenamiento geológico. Las pruebas experimentales validaron la eficacia de los catalizadores a base de níquel en un reactor de 1 kW para la metanización, y un modelo de Aspen Plus basado en estos datos identificó la configuración de 3 reactores como la más adecuada para el diseño de la planta de metanización, reduciendo la masa del catalizador mientras se lograba un contenido de metano del 95% en el gas sintético. Los experimentos en la planta de captura de carbono con aminas identificaron condiciones óptimas de operación para minimizar el consumo energético en una relación líquido-gas (L/G) de 4,5, y un modelo de Aspen Plus para captura de carbono fue validado con datos de estos experimentos. 
000151734 520__ $$aGlobal CO2 emissions from energy combustion and industrial processes reached their highest annual level ever in 2021, experiencing a 6% increase compared to 2020. This pushed emissions to a total of 36.3 gigatonnes (Gt) in 2021. Coal contributed significantly to the emissions increase, responsible for over 40% of them, reaching a record of 15.3 Gt. Natural gas emissions also exceeded 2019 levels at 7.5 Gt. The industrial sector emitted 9.4 Gt of CO2 in 2021, comprising a quarter of global emissions. The iron and steel (I&S) industry is a major emitter, responsible for 11% of industry-related CO2 emissions. The Net Zero Emissions scenario envisions reducing industrial emissions to about 7 Gt of CO2 by 2030 through improved energy efficiency, increased renewable energy adoption, and low-carbon production processes. In the Net Zero Scenario, around 60% of emission reductions in heavy industries by 2050 will rely on proven technologies that are not yet ready for the market. Hence, the primary objective of this thesis is to deepen into innovative technologies that can contribute to the achievement of the Net Zero Scenario for the industry in general, with a special focus on the iron and steel industry. One promising approach is Power to Gas (PtG). PtG involves using renewable electricity to power electrolysers that decompose water, generating green hydrogen. This hydrogen can then be combined with CO2 to produce synthetic natural gas, which can be utilized as a fuel within the industry. This process effectively recycles CO2 and prevents its release into the atmosphere. To achieve this primary objective, two preliminary studies were done in two different industries: glass and steel. PtG technology offers significant potential for decarbonizing the glassmaking and steel industries. The glass sector can achieve more significant reductions in carbon intensity compared to the steel industry, for which, due to its complexity, lower reductions are achievable. This highlights the substantial emission-reduction potential of PtG technology, emphasizing the need for additional research within the steel industry to attain higher emission reductions. Despite the promising aspects, it is crucial to acknowledge that the associated costs are currently high. However, there is potential for significant cost reduction through adjustments in electricity pricing and CO2 tax. Consequently, carbon capture in the steel industry and PtG integration in this sector are further investigated. The successful integration of PtG faces two main challenges: the need for higher TRLs for components like oxygen blast furnaces, methanation or carbon capture; and addressing the associated high costs, in terms of CAPEX and OPEX. The second part of this thesis focuses on experimenting with different Power to Gas system components. It specifically involves investigating the methanation reaction at TRL 4 and examining the carbon capture stage at TRL 6. The methanation reaction was conducted at UNIZAR's facilities, where various catalysts were compared, and the conversion of CO2 to methane was studied. The carbon capture research took place at voestalpine and K1-MET's facilities, focusing on amine scrubbing for capturing CO2 from actual flue gases generated at the steel site (voestalpine, Linz, Austria). Among the key findings an innovative approach in the glass industry combining Calcium-Looping and CO2 methanation is proposed and analysed, achieving up to 80% emission reduction with specific energy penalties of 35.8 MJ/kgCO2. In the iron and steel sector, various PtG integration scenarios were examined, with an oxygen blast furnace with CO2 methanation and top gas recycling emerging as the most effective, offering substantial CO2 reductions (30 %), lower energy penalty (12 MJ/kgCO2) and cost-efficiency (216 €/tCO2 and 130 €/tHM) without the need for geological storage. Experimental tests validated the efficacy of nickel-based catalysts in a 1 kW reactor for methanation, and an Aspen Plus model based on this data identified the 3-reactor configuration as the most suitable for methanation plant design, reducing catalyst mass while achieving 95% methane content in synthetic gas. Experimental tests on an amine carbon capture plant identified optimal operating conditions for minimizing energy requirements at a liquid-to-gas ratio of 4.5 and an Aspen Plus model for carbon capture was validated with data from these tests. 
000151734 521__ $$97102$$aPrograma de Doctorado en Ingeniería Mecánica
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