Viabilidad económica de la captura y aprovechamiento de emisiones de CO2 en la industria cementera

Laura Proaño1, Alfonso Sarmiento2 , Manuel Figueredo3, Martha Cobo4

Grupo de investigación Energía, Materiales y Ambiente (GEMA)Universidad de La Sabana1,2,3,4

1 lauraprgo@unisabana.edu.co 2 alfonso.sarmiento@unisabana.edu.co 3manuel.figueredo@unisabana.edu.co 4 martha.cobo@unisabana.edu.co

1

INTRODUCCIÓN

2

Acuerdo de ParísCOP21

3

Reducir las emisionesde CO2 en un 20% para el 2030 [2] World Business Council For Sustainable Development (WBCSD), GNR Project

Reporting CO2, (2016). https://www.wbcsdcement.org/GNR-2016/index.html (accessed November 26, 2018)

Industria cementera 21,760,000 t cemento/año

16,000,000 t CO2/año

Emisionesindustriales de Colombia

[1]DANE, Grey Cement Statistics, (n.d.). http://www.dane.gov.co/index.php/en/statisticsby-topic/construction/grey-cement-statistics (accessed November 30, 2018).

Tecnologías de captura y aprovechamiento de CO2

Captura y almacenamiento de CO2

Captura y aprovechamiento de CO2

[3] I. International Energy Agency, World Business Council For Sustainable Development (WBCSD), Technology Roadmap - Low-Carbo Transition in the Cement Industry, 2016. www.wbcsdcement.org. (access November 26, 2018)

Tecnología de carbonatación 𝑀𝑀𝑦𝑦+ + 𝐶𝐶𝑂𝑂32− ↔ 𝑀𝑀𝑥𝑥 𝐶𝐶𝑂𝑂3 𝑦𝑦

Figura 1. Diagrama de proceso para la captura de CO2 por carbonatación

(Eq.1)

NaHCO3

Alimentos

Detergentes

Farmacéutica

BaCO3

Cerámica

Vidrios

NaOH Ba(OH)2

NaHCO3 BaCO3

Usos de los carbonatos

4

Costos de capital

Costos de operación

Ingresos por ventas de carbonato

Ingresos por ventas de bonos

de carbono

Factores de mercado

• Demanda del producto obtenido a partir de las emisiones de CO2

• Precio de venta• Precio de los CER

Políticas gubernamentales

• Impuestos sobre las emisiones de CO2

• Subsidios y entrega de incentivos por captura de CO2

Mercado del sector sobre el cual se

aplica la tecnología

• Demanda de cemento

Impacto económico de la captura de CO2

Dinámica de Sistemas

5

[4] E.S. Rubin, Understanding the pitfalls of CCS cost

estimates, Int. J. Greenh. Gas Control. 10 (2012) 181–190.

Dinámica de Sistemas

• Metodología desarrollada en 1950 por John Stermanen el MIT diseñada para ayudar a los gerentes de las compañías a entender los procesos industriales

• Es muy útil a la hora de modelar sistemas complejos

• Sistemas con retroalimentación entre las variables, retrasos de información o comportamientos del mercado

Objetivos

• Evaluar la reducción de las emisiones de CO2 y el comportamiento de las utilidades de una planta de cemento al implementar dos tecnologías CCU de carbonatación en dos escenarios.

• Evaluar una política gubernamental sobre las utilidades de la planta al implementar la captura de CO2

6

[5] N. Ansari, A. Seifi, A system dynamics model for analyzing energy consumption and CO2 emission in Iranian cement industry under various production and export scenarios, Energy Policy. 58 (2013) 75–89. Evaluación de la emisiones de CO2 en la industira

cementera, y el efecto de diferentes políticas sobre la reducción de emisiones

Análisis económico en diferentes escenarios

METODOLOGÍA

7

Desarrollo del modelo productivo y económico en dinámica de sistemas

(Vensim)

Evaluación del comportamiento de las emisiones de CO2 y las

utilidades de la planta de cemento bajo diferentes escenarios de mercado

Parámetro Valor UnidadesFactor de funcionamiento 90% -

Tipo de proceso Proceso en base seca -

Capacidad de producción de clinker 1,000,000 t clinker/año

Producción de cemento 1,360,000 t cement/añoRelación clinker/cemento 0.737 -Relación materiaprima/clinker 1.6 t MP/ t clinker

Factor de emisiones de CO2 0.737 t CO2/t clinker

Tabla 1. Caracterísitcas de la planta de cemento de referencia

Evaluación técnica y estimación de costos de

una tecnología de carbonatación mediante el

software Aspen Plus®

Escenarios evaluados

Caso base

No hay captura de

CO2

Captura de CO2

Sc1.Na Sc2.Ba 8

• NaOH NaHCO3• Ba(OH)2 BaCO3

Absorbentes estudiados

• NaOH 98%• Ba(OH)2 65%

Eficiencia de captura

• NaOH 65 USD/t CO2• Ba(OH)2 140 USD/t CO2

Costo de captura

• NaOH 28 $MUSD• Ba(OH)2 70 $MUSD

Costo de capital captura

Tiempo de construcción de 3

años

Planta con capacidad de 90 t/h

de CO2

Demanda de cemento• Datos históricos reportados

por el DANE• Relación entre el PIB y la

demanda de cemento

Producción de cemento• Niveles iniciales de inventario

>0• Planta de referencia (Tabla 1)

Estimación de emisiones de CO2• Factor de emisiones de 0.737• Se incluyó la corrección por

material partículado

Económico• Costos e ingresos de

producción de cemento (BL)• Costos e ingresos por captura

de emisiones de CO2

9

RESULTADOS

10

Validación del modelo

100

150

200

250PI

B ($

MC

OP)

1

2

3

4

0 5 10 15 20 25 30 35Dem

anda

nac

iona

l de

cem

ento

(Mt)

TrimestreSD model Historical dataModelo Datos históricos

Figura 2. Validación con datos históricos del modelo (a) PIB y (b) Demanda de cemento

%Err=10% %Err=13%

11

%𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 =1𝑖𝑖

�𝑡𝑡=0

𝑖𝑖𝑋𝑋𝑡𝑡=𝑖𝑖𝑀𝑀 − 𝑋𝑋𝑡𝑡=𝑖𝑖𝐻𝐻

𝑋𝑋𝑡𝑡=𝑖𝑖𝐻𝐻 ∗ 100

Caso base

0

20

40

60

80

100

120

140

1 3 5 7 9 11 13 15

$Mill

ones

USD

Tiempo (años)

Utilidades Costos de producción Ingresos

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 3 5 7 9 11 13 15

Emis

ione

sde

CO

2al

am

bien

te(k

t)

Tiempo (años)

Figura 3. Definición del caso base (a) Comportamiento económico y (b) Emisiones de CO2

12

Distribución de costos e ingresos Captura del 65% de las emisiones de CO2

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

BL CT1 CT2

Dis

tribu

ción

de

cost

os (%

)

Escenarios

Captura de CO2

Energéticos

Materia prima

O&M

Administrativos

Captura de CO2

Energéticos

Materia prima

O&M

Administrativos

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

BL CT1 CT2

Dis

tribu

ción

de in

gres

os(%

)

Escenarios

Ventas decemento

Ventas decarbonato

$BaCO3 = 0.48 USD/kg$NaHCO3=0.180 USD/kg

Figura 4. Distribución de (a) costos de producción y (b) ingresos. 13

Sc1.Base Sc2.Na Sc3.Ba Sc1.Base Sc2.Na Sc3.Ba

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15

Util

idad

es ($

MU

SD)

Tiempo (años)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

1 3 5 7 9 11 13 15

Prod

ucci

ónde

car

bona

to(M

t)

Tiempo (años)

CT1 CT2

Evolución de las utilidades y la producción de carbonato Captura del 65% de las emisiones de CO2

NaHCO3 BaCO32018 3,000,000 2018 960,000

2024 5,000,000 2025 2,300,000

Tabla 2. Demanda mundial de carbonatos

14

Figura 5. Evolución de las utilidades.

Figura 6. Producción de carbonatos.

https://www.industryresearch.co/global-sodium-bicarbonate-market-report-2019-competitive-landscape-trends-and-opportunities-14099956 (accessed May 21, 2019).

https://www.researchreportsworld.com/global-barium-carbonate-market-2017-2021-11459466

Sc2.Na Sc3.Ba

Sc1.BaseSc2.NaSc3.Ba

43%60%

98%

5-4%

55%

Figura 8. Evolución de (a) emisiones de CO2 y (b) utilidades de la producción de cemento* Líneas continuas y punteadas para baja y alta demanda de carbonato, respectivamente

Evaluación de la demanda de carbonato

16

Sc1.Base Sc2.Na Sc3.Ba

EVALUACIÓN DE LA APLICACIÓN DE IMPUESTO SOBRE CO2

17

Reducir las emisionesde CO2 en

un 24%

Evaluación de la aplicación de impuesto sobre CO2

0

20

40

60

80

100

120

1 3 5 7 9 11 13 15

Util

idad

es($

MU

SD)

Tiempo (años)

0

20

40

60

80

100

120

1 3 5 7 9 11 13 15

Util

idad

es($

MU

SD)

Tiempo (años)

020406080

USD/t CO2 emitido

Figura 9. Evolución de las utilidades para (a) Sc1-Na y (b) Sc2-Ba bajo diferentesvalores de impuesto de CO2

*Líneas punteadas para los escenarios con captura y líneas continuas para el Sc1-Base

a) b)

18

19

En Colombia…

• 5 USD/ tCO2

Decreto 926 de 2017

• Tarifa relacionada al contenido de carbonode los combustibles

• Gasolina, Kerosene, Jet Fuel, ACPM, Fuel Oil

Cuando es aplicado

Conclusiones

20

Se desarrolló un modelo en dinámica de sistemas, validado frente a datos

históricos, con un error del 10%.

Los costos de captura de emisiones, representan el 30 y 40% para las tecnologías de carbonatación usando

NaOH y Ba(OH)2, respectivamente.

El potencial de captura de CO2 de la tecnología para la producción de BaCO3, se ve limitado por la demanda del

carbonato.

Para promover la implementación de la

tecnología de captura se requiere de un valor de

impuesto de carbono entre 20 y 80 USD/ t CO2 emitido.

Los autores del trabajo agradecen a la Universidad de La Sabana por sufinanciamiento del Proyecto ING-192-2016. L. Proaño agradece a laUniversidad de La Sabana por la beca de Asistencia Graduada para susestudios de maestría.

AGRADECIMIENTOS

21

Viabilidad económica de la captura y aprovechamiento de emisiones de CO2 en la industria cementera

Muchas gracias por su atención

22