Dry Fork: un modelo de energía de carbón moderna en EE. UU.

La estación Dry Fork comenzó su operación comercial cuando una serie de plantas de carbón estadounidenses más antiguas y menos eficientes contemplaban su retiro en medio de una avalancha de normas ambientales. Diseñado con previsión, este moderno generador de carbón estadounidense por excelencia emite pocos contaminantes, no descarga agua, reutiliza sus cenizas de carbón y ahora está preparado para demostrar la captura, utilización y secuestro de carbono.

La próxima vez que alguien describa la energía del carbón en Estados Unidos como una fuente de energía que contamina y absorbe recursos, dirija cortésmente su atención a Dry Fork Station, una planta de una sola unidad de 420 MW ubicada a siete millas al norte de Gillette, Wyoming, propiedad de consumidores. propiedad de Basin Electric Power Cooperative (92,9%) y del proveedor mayorista de electricidad Wyoming Municipal Power Agency (7,1%).

Desde que entró en operación comercial en 2011, la planta, equipada con un conjunto de tecnologías avanzadas diseñadas para cumplir con las normas ambientales más estrictas, ha ido perfeccionando silenciosamente su rendimiento. Y hoy, dirigida por una plantilla de tiempo completo de sólo 83 personas, la planta es uno de los proveedores de energía más eficientes y baratos del país.

Aunque Dry Fork funciona con carbón subbituminoso de la cuenca del río Powder (PRB) con bajo contenido de azufre, obtenido de la mina Dry Fork a través de un sistema transportador a solo una milla de distancia, sus emisiones de contaminantes importantes están muy por debajo de los requisitos federales y estatales. Consume poca agua y es una instalación de cero vertidos de líquidos. Debido en gran parte a los compromisos con la protección ambiental y la asociación comunitaria, también es el sitio de un centro de pruebas integrado (ITC) dedicado a tecnologías de captura, utilización y secuestro de carbono (CCUS).

Desde el principio, los desarrolladores buscaron “básicamente orquestar la planta de energía alimentada con carbón más limpia que jamás se haya construido desde un punto de vista ambiental”, dijo a POWER Dennis Thorfinnson, ingeniero de la planta de Dry Fork. En gran medida, eso ha sido indudablemente exitoso. "Hemos tomado PRB, tenemos factores de capacidad altos y, de manera realista, nadie se da cuenta de que estás operando una planta, porque no sale nada de nuestra chimenea", dijo.

La central eléctrica de 1.350 millones de dólares fue concebida en 2002, cuando los estudios proyectaban que Basin Electric, con sede en Bismarck, Dakota del Norte, necesitaría más generación para 2011 para abastecer sus sistemas eléctricos rurales de 141 miembros en al menos partes de nueve estados. El proyecto se anunció formalmente en diciembre de 2004, pero no obtuvo los permisos reglamentarios, incluido un permiso de emplazamiento industrial y un permiso de aire, hasta octubre de 2007. La construcción acumuló más de 6 millones de horas-hombre (en su punto máximo, la fuerza laboral era más de 1.300 personas) sin ningún incidente con pérdida de tiempo. Basin Electric señaló que el promedio de la industria para esta magnitud de construcción importante es de aproximadamente 39 incidentes con pérdida de tiempo.

Para el gerente de la planta de Dry Fork, Tom Stalcup, ese fue quizás el logro más significativo de la planta. Las personas que dirigen Dry Fork son su aspecto más preciado, dijo a POWER, y la planta sigue teniendo un "buen historial de seguridad". Como sucedió cuando comenzó la construcción, cada día comienza con discusiones sobre seguridad “por eso nos aseguramos de que nuestra gente regrese a casa todos los días en las mismas condiciones en que vienen a trabajar”, ​​dijo Stalcup.

Los innumerables otros atributos notables de la planta tienen su origen en su diseño, que Basin Electric revisó minuciosamente junto con el consultor de ingeniería Sargent & Lundy utilizando un modelo PLADES 3-D galardonado. Además de prever la integración de la tecnología y los problemas de construcción, el equipo consideró los costos futuros y los problemas de confiabilidad. Por ejemplo, ubicar la planta en la boca de una mina propiedad de la cooperativa sin fines de lucro Western Fuel Wyoming (de la cual Basin Electric es miembro) eliminó los costos de transporte de combustible. Sólo por eso la recompensa ha sido significativa. "Seis años consecutivos, Dry Fork ha sido la planta de carbón con el menor costo de combustible en Estados Unidos", dijo Stalcup.

La operación y el mantenimiento de la planta también fueron una parte clave del diseño. "El equipo que desarrolló el diseño de la planta tenía mucha experiencia en operaciones y mantenimiento porque queríamos asegurarnos de que la [planta] pudiera mantenerse sin enormes costos inesperados", señaló Stalcup.

Debido a que el proyecto se desarrolló en el apogeo de un impulso regulatorio para controlar las emisiones al aire y de desechos de las instalaciones de generación de vapor, los diseñadores de plantas (que tenían una gama mucho más amplia de tecnologías eficientes para elegir en comparación con muchas instalaciones de carbón estadounidenses que se construyeron décadas antes) buscó garantizar que la instalación siempre estuviera en cumplimiento.

Los beneficios son notables. El permiso de aire de Dry Fork limita las emisiones de SO2 a 0,07 lb/MMBtu y las emisiones de NOx a 0,05 lb/MMBtu (ambas en promedios móviles de 12 meses). Dry Fork realizó auditorías de pruebas de precisión relativa trimestrales, según fue necesario, desde 2011 hasta 2013, y pruebas anuales desde entonces. Los resultados siempre han sido bajos en comparación con los límites de los permisos. Thorfinnson informó que las emisiones de mercurio se reducen en un 90% y las partículas filtrables han sido tan bajas como 0,00 lb/MMBtu. “Lo que hace que Dry Fork sea especial es la cantidad de esfuerzo puesto desde el principio, no como una actualización. Está en el diseño producir una instalación operativa tan limpia”, dijo.

Basin Electric contrató a Mitsubishi para la turbina y el ciclo de vapor, y a Babcock y Wilcox para la caldera de tambor radiante (que era adecuada para carbón subbituminoso PRB con bajo contenido de azufre) y el manejo del carbón. Babcock y Wilcox también proporcionaron el sistema de eliminación de NOx de reducción catalítica selectiva (SCR), junto con los quemadores AireJet de bajo NOx y el aire de sobrefuego de esa empresa.

Luego, los diseñadores fueron un paso más allá y eligieron la mejor tecnología de lavado en seco disponible para abordar de manera rentable el control de múltiples contaminantes. Finalmente se decidieron por un secador por aspersión semiseco de absorción y un sistema de lavado en lecho fluidizado circulante (CFBS) diseñado por Graf-Wulff. Las ventajas clave fueron que el sistema consumió hasta un 30 % menos de agua en comparación con un sistema de desulfuración húmeda de gases de combustión y demostró un 98 % de desulfuración. Los residuos también podrían utilizarse como vertedero en una mina de carbón a cielo abierto cercana, lo que reduciría significativamente los costes. Stalcup, quien se incorporó al equipo de Dry Fork debido a su experiencia previa con la tecnología CFBS, también señaló que, en ese momento, Wyoming estaba "impulsando cero exclusiones de inicio o cierre", lo que significa cumplimiento el 100% del tiempo. Un sistema CFBS lo permite, afirmó. Para atender el tamaño de 420 MW de Dry Fork, el CFBS que se diseñó e instaló era el más grande de su tamaño en el mundo en ese momento.

Dry Fork también se convirtió en la primera planta de carbón de Basin Electric en instalar inyección de carbón activado (ACI) para la eliminación de mercurio. Sin embargo, según Thorfinnson, durante el transcurso de la operación, los operadores de la planta "tropezaron" con el descubrimiento de que el uso de una combinación de ACI y silicatos modificados reducía drásticamente la cantidad de mercurio en los gases de combustión en lugar de usar cada uno por separado. "En lugar de alimentar sólo 140 libras por hora de carbón activado, podríamos alimentar 10 libras de silicatos modificados y 10 libras de carbón activado, y mantener el cumplimiento", dijo. “Redujo drásticamente el costo de la eliminación del mercurio” porque el ACI halogenado cuesta casi tres veces más que el silicato modificado.

Entre otras “primicias” notables de Dry Fork está que se convirtió en el primer proyecto estadounidense en instalar un sistema de eliminación de cenizas de fondo seco Magaldi. El desarrollo del proyecto estaba en curso cuando se produjo el catastrófico derrame de cenizas de carbón en Kingston, Tennessee, en diciembre de 2008, explicó Stalcup. "Simplemente tenía sentido desde un punto de vista cooperativo, sin saber cuáles serían las reglas futuras sobre los sistemas húmedos, eliminar el riesgo".

Finalmente, Dry Fork alberga el condensador enfriado por aire más grande de Norteamérica. Los desarrolladores tomaron la decisión de instalar el condensador de última generación, que incluye un radiador grande y 45 motores de 250 caballos de fuerza con variadores de frecuencia, porque no requeriría ubicarlo cerca de una masa de agua. Aún así, Dry Fork finalmente modificó el condensador con “paredes de viento” para hacerlo más eficiente durante los fríos inviernos de Wyoming. "Ha reducido drásticamente nuestro consumo de agua para generar electricidad en varios miles de galones por minuto", dijo Thorfinnson.

Armados con el beneficio de la previsión, los diseñadores también dejaron vacantes 16 acres en la parte trasera de la planta para una futura expansión del control de la contaminación. En 2014, Wyoming, país rico en carbón, aprobó medidas para promover iniciativas de captura y almacenamiento de carbono para reducir las emisiones y garantizar que el carbón tenga soluciones de carbono económicamente viables. Como recordó Stalcup, se invitó a tres generadores de carbón en el estado, incluido Basin Electric, a brindar su opinión sobre dónde ubicar mejor el Centro de Pruebas Integradas de Wyoming (ITC), una instalación que permitiría a los investigadores probar tecnologías CCUS utilizando 20 MW de carbón depurado. -gases de combustión a base de. “Creo que una de las razones por las que se eligió Dry Fork fue que teníamos la infraestructura y el espacio”, dijo.

Tan pronto como se anunció en 2015, el ITC rápidamente avanzó. "En 2016, tuvimos uno de nuestros principales cortes, y el momento fue perfecto para conectar los gases de combustión de la unidad", dijo Stalcup. En julio de 2018, el ITC estaba completamente construido y estaba a la espera de su inauguración formal. Financiado con $15 millones del estado, $5 millones de la Asociación Tri-State de Generación y Transmisión y $1 millón de la Asociación Nacional de Cooperativas Eléctricas Rurales, el centro cuenta con seis bahías de pruebas (alimentadas individualmente con gas de combustión Dry Fork) diseñadas para albergar proyectos de diferentes tamaños y necesidades de energía (Figura 1). En la actualidad, está previsto que cinco finalistas (de India, China, Escocia, Canadá y Estados Unidos) del NRG COSIA Carbon XPRIZE prueben sus tecnologías en las instalaciones.

Se espera que los proyectos capturen todo o parte del 12,5% del dióxido de carbono en los gases de combustión de Dry Fork y lo conviertan en productos como fertilizantes, alimento para peces y materiales de construcción. Kawasaki Heavy Industries ocupará el sexto puesto para probar su tecnología de captura de sorbentes sólidos.

Para Stalcup, los esfuerzos son prometedores. “Será interesante ver en los próximos años lo que estos visionarios pueden hacer. Con suerte, será para salvar el carbón como fuente de generación viable, porque creo que Dry Fork es un gran ejemplo de lo que se puede hacer si se hace bien y se cuenta con el equipo adecuado de personas que evalúan los riesgos”, afirmó. ■

—Sonal Patel es editor asociado de POWER.

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