tesisUPV9008.pdf - Biorefiner\u00edas para la producci\u00f3n de biocombustibles de segunda generaci\u00f3n Programa de Doctorado en Ingenier\u00eda y Producci\u00f3n

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Unformatted text preview: Biorefinerías para la producción de biocombustibles de segunda generación Programa de Doctorado en Ingeniería y Producción Industrial Tesis doctoral de: Rogelio Cárdenas Vargas Director de Tesis: Ángel Pérez‐Navarro Gómez Diciembre / 2012 Agradecimientos La elaboración de ésta tesis es el reflejo no solo de un esfuerzo individual, si bien la redacción es cosa personal en él están reflejados momentos de frustración y también de alegrías vividos durante los estudios de doctorado, a pesar de no ser una obra literaria en sí, su escritura dependió en muchos momentos del estado de ánimo en el que me encontraba y quiero agradecer a aquellos que de alguna forma contribuyeron con sus conocimiento, con su apoyo moral o sus distracciones a que mi estado mental fuese el adecuado para poder concluir con este trabajo. Agradezco a Ángel Pérez-Navarro Gómez primero como director del Instituto de Ingeniería Energética por darme la oportunidad de trabajar en el instituido para poder realizar mi tesis y participar en proyectos de investigación y también agradecer su tiempo y dedicación como director de tesis, por sus valiosos comentarios y enseñanzas para conducir este trabajo y por la ayuda otorgada más allá de su obligación. Gracias al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología en México (CONACyT) por el apoyo económico que me otorgo durante parte del doctorado en la Universidad Politécnica de Valencia. Al Instituto de Ingeniería Energética por todo el apoyo otorgado para poder realizar la tesis. Quiero agradecer a mis compañeros y amigos del grupo de biomasa del IIE David, Carlos, Carolina, Natalia y Elisa por su ayuda en la elaboración de la tesis y el tiempo compartido como equipo. A mis amigos del IIE Fernando, Guillermo, Manolo, Ivan, Amada, Jelena, Aurel, Hector, Rafa, Jorge, Anicia, por hacer de mi estancia dentro y fuera de la universidad placentera, por el blanquito, los cafes y las cenas, a todos los del IIE muchas gracias. Les agradezco también a los que hicieron menos melancólica mi estancia: Cesar, Mabel, Andrea, Santos, Araceli, Israel, Carlos, Raquel, Lupita, Alex, Wendy, Beto, Gely, Guillermo, Faby, Pablo, Daniela, Ricardo, por las comidas, charlas y escapadas. A Cris, Miriam, Jimi, Alex y Nolas, por la buena música, las cervezas y las aventuras, por la Luada y el piano, los buenos tiempos en Valencia. A mi familia, primos y amigos en México que se acordaron de mi ausencia. A mis padres que sin su apoyo no hubiese podido emprender esta aventura. A mis hermanas Agueda y Albertina por su apoyo moral. A Alejandra por acompañarme a pesar de la incertidumbre y arriesgarse a vivir conmigo, por escucharme, por confiar en mí. II Resumen La utilización de los combustibles fósiles ha sido un gran motor para el desarrollo de la sociedad, a medida que este recurso se agota la importancia de hacer una transición hacia un esquema energético sustentable se hace más evidente. Este esquema sustentable estaría basado en el aprovechamiento de distintas fuentes de energía y entre ellas de forma destacada las energías renovables. Dentro de las energías renovables, la biomasa representa una opción importante para sustituir el uso de los combustibles fósiles, sobre todo en el sector del transporte al poder ser transformada en un combustible líquido para su uso en motores de combustión interna, en electricidad para vehículos eléctricos o en hidrógeno para vehículos eléctricos con células de combustible. Los futuros biocombustibles deben ser sostenibles en términos técnicos, económicos, ambientales y sociales para poder jugar un papel importante. Es en este escenario donde los biocombustibles de segunda generación toman importancia. Las biorefinerías, un concepto análogo a las refinerías convencionales (cuyo objetivo es la producción de combustibles, productos químicos y electricidad), están siendo objeto de investigación como sistemas que contribuyan a incrementar la participacin de la biomasa dentro del mercado, no solo energético sino de productos derivados. La gran cantidad de biomasa que no se puede aprovechar en las instalaciones de producción de biocombustibles de primera generación, representan un insumo de bajo coste y alta disponibilidad que en las biorefinerías de segunda generación incrementan la posibilidad de instalar plantas con la escala necesaria para que sean económicamente y ambientalmente sustentables. Las biorefinerías termoquímicas son una de las plataformas de biorefinerías que mejor se adecua a los residuos presentes en la Comunidad Valenciana y permitirían aprovechar los residuos de cultivos agrícolas o de procedencia forestal para transformarlos en biocombustibles de segunda generación ayudando a reducir la dependencia energética que la Comunidad tiene de los combustibles fósiles. En ese contexto, este trabajo de tesis tiene como objetivo principal el evaluar y optimizar distintos conceptos propuestos de biorefinería termoquímica con el propósito de identificar cuál de los distintos conceptos propuestos es el que mejores condiciones técnicas y económicas ofrece, considerando la biomasa residual de la que puede disponerse en la Comunidad Valenciana. Este trabajo se divide en 5 capítulos, en el primer capítulo se hace una introducción del panorama energético así como de los distintos procesos en los que puede ser aprovechada la biomasa como fuente de energía. El segundo capítulo hace una introducción al uso de la biomasa para producir energía mediante las biorefinerías, haciendo un repaso a los distintos conceptos de biorefinerías que existen. El tercer capítulo está dedicado a la descripción de las biorefinerías termoquímicas para la producción de biocombustibles Fischer-Tropsch, hidrógeno y electricidad, que son los procesos de aprovechamiento de la biomasa propuestos en este trabajo. En el capítulo cuarto se describen los distintos conceptos de biorefinería termoquímica modelados en esta tesis, así como los modelos que componen los distintos conceptos que fueron empleados para simular la producción de los productos energéticos deseados. En el capitulo quinto se muestran los resultados obtenidos de la simulación de los distintos conceptos de biorefinería propuestos y se hace un análisis de los resultados. Entre los resultados más destacados se encontró que empleando los recursos de biomasa existentes en la Comunidad Valenciana se puede instalar una planta de 313 III MW térmicos de capacidad considerando un tiempo de operación de planta de 8000 horas al año. Del análisis del proceso de gasificación se encontró que las propiedades del gas de síntesis obtenido a partir de las distintos tipos de biomasa son relativamente similares y la eficiencia de gasificación de éstos se encuentran entre 76% y 79%. De los conceptos de biorefinerías propuestos el más eficiente es el de la producción de hidrógeno con un gasificador tipo IGT que alcanza una eficiencia energética de 53%, aunque el concepto emplea gasificación con oxígeno lo que hace que sus costes de instalación sean mucho mayores que el concepto que emplea gasificación con aire. La economía de escala de la planta juega un papel importante en el costo de producción de energía; asi se encontró que plantas inferiores a 500 MW térmicos existe una influencia significativa. A partir de plantas de 1000 MW térmicos en adelante la influencia disminuye y no se muestra una mejora significativa en el coste de producción al incrementar el tamaño de planta. IV Abstract The use of fossil fuels has been a great driver for the development of the society, as this resource is exhausted, the necessity to make a transition toward a sustainable energetic scheme becomes more evident. This sustainable scheme should be based on the use of several energy sources and between them with a great importance the renewable energy sources. Among the renewable energy sources, the biomass represents an important option to substitute the use of fossil fuels, specially in the transport sector because it can be transformed into a liquid fuel that can be use in internal combustion engines, into electricity for electric vehicles or into hydrogen for fuel cell vehicles. The future biofuels most be sustainable in technological, economical, environmental and social terms to be able to play an important role. Is in this scenario where the second generation biofuels grow on importance. The biorefineries, an analogue concept of the conventional refineries (which object is to produce fuels, chemical products and electricity), are under research as systems that contribute to increase the participation of biomass not only within the energy market but also in the chemical derivatives market. The huge amount of biomass that cannot be used in the first generation biofuels production facilities represents a low cost and great availability income for the second generation biorefineries that could increase the possibility of setting up facilities big enough to become economically and environmentally sustainable. The termochemical biorefineries are one of the biorefineries platforms that fit better to the residues available in the Valencian Community and this platform will let use agricultural and forestry residues to transform them into second generation biofuels and helping with this to reduce the energetic dependency of the Community toward fossil fuels. In this context, this work of thesis has as main object to evaluate and optimize several concepts of thermo-chemical biorefineries and identify which of the concepts proposed has better technical and economical conditions, considering the available biomass in the Valencian Community. This work is divided into five chapters, on the first chapter is shown a brief introduction of the energy landscape and also of the different processes where the biomass can be used as an energy source. On the second chapter is presented an introduction to the use of biomass to produce energy using biorefineries by reviewing the different biorefineries concepts known. The third chapter is dedicated to the description of the thermochemical biorefineries to produce Fischer-Tropsch biofuels, hydrogen and electricity, which are the processes to transform the biomass proposed in this work. On the fourth chapter are described the thermochemical biorefineries concepts modelated on this thesis, as well as the component models that were used to simulate the production of the desired energy products. The fifth chapter shows the results of the simulation for the different biorefineries concepts proposed and is made an analysis of the results. The most outstanding results shown that using the biomass resources available in the Valencia Community it can be installed an energy facility with a capacity of 313 MW considering a plant operation time of 8000 hours per year. From the analysis of the gasification process it was found that the properties of the synthesis gas obtained from different types of biomass are relatively similar among them and the gasification efficiency is between 76% and 79%. From the proposed biorefineries concepts, the V most efficient is the production of hydrogen using an IGT gasifier which reaches an energy efficiency of 53%, but the concept needs oxygen what make that the cost of this concept to be more expensive than the concept using air. The economy of scale of the facility plays an important role in the energy production cost; it was found that facilities with a capacity fewer than 500 MW have a big influence between cost and the plant size. From facilities size of 1000 MW onwards, the influence decreases and does not shows and improvement on the production cost when the facility size is increased. VI Resum La utilització dels combustibles fòssils ha sigut un gran motor per al desenrotllament de la societat, a mesura que este recurs s'esgota la importància de fer una transició cap a un esquema energètic sostenible es fa més evident. Este esquema sostenible estaria basat en l'aprofitament de distintes fonts d'energia i entre elles de forma destacada les energies renovables. Dins de les energies renovables, la biomassa representa una opció important per a substituir l'ús dels combustibles fòssils, sobretot en el sector del transport al poder ser transformada en un combustible líquid per al seu ús en motors de combustió interna, en electricitat per a vehicles elèctrics o en hidrogen per a vehicles amb cèl·lules de combustible. Els futurs biocombustibles han de ser sostenibles en termes tècnics, econòmics, ambientals i socials per a poder jugar un paper important. És en aquest escenari on els biocombustibles de segona generació prenen importància. Les biorefineries, un concepte anàleg a les refineries convencionals (l'objectiu de les quals és la producció de combustibles, productes químics i electricitat) , estan sent objecte d'investigació com a sistemes que contribuïsquen a incrementar la participació de la biomassa dins del mercat, no sols energètic sinó de productes derivats. La gran quantitat de biomassa que no es pot aprofitar en les instal·lacions de producció de biocombustibles de primera generació, representen una materia prima de baix cost i alta disponibilitat que en les biorefinerías de segona generació incrementen la possibilitat d'instal·lar plantes amb l'escala necessària perquè siguen econòmicament i ambientalment sostenibles. Les biorefineries termoquímiques són una de les plataformes de biorefineriess que millor s'adequa als residus presents a la Comunitat Valenciana i permetrien aprofitar els residus de cultius agrícoles o de procedència forestal per a transformar-los en biocombustibles de segona generació ajudant a reduir la dependència energètica que la Comunitat té dels combustibles fòssils. En eixe context, este treball de tesi té com a objectiu principal l'avaluar i optimitzar distints conceptes proposats de biorefineria termoquímica amb el propòsit d'identificar quin dels distints conceptes proposats és el que millors condicions tècniques i econòmiques oferix, considerant la biomassa residual de què pot disposar-se a la Comunitat Valenciana. Este treball es dividix en 5 capítols, en el primer capítol es fa una introducció del panorama energètic així com dels distints processos en què pot ser aprofitada la biomassa com a font d'energia. El segon capítol fa una introducció a l'ús de la biomassa per a produir energia per mitjà de les biorefineries, fent un repàs als distints conceptes de biorefineries que existixen. El tercer capítol està dedicat a la descripció de les biorefineries termoquímiques per a la producció de biocombustibles FischerTropsch, hidrogen i electricitat, que són els processos d'aprofitament de la biomassa proposats en este treball. En el capítol quart es descriuen els distints conceptes de biorefineria termoquímica modelats en esta tesi, així com els models que componen els distints conceptes que van ser empleats per a simular la producció dels productes energètics desitjats. En el capítol quint es mostren els resultats obtinguts de la simulació dels distints conceptes de biorefineria proposats i es fa una anàlisi dels resultats. VII Entre els resultats més destacats es va trobar que emprant els recursos de biomassa existents a la Comunitat Valenciana es pot instal·lar una planta de 313 MW tèrmics de capacitat considerant un temps d'operació de planta de 8000 hores a l'any. De l'anàlisi del procés de gasificació es va trobar que les propietats del gas de síntesi obtingut a partir de les distints tipus de biomassa són relativament semblants i l'eficiència de gasificació d'estos es troben entre 76% i 79%. Dels conceptes de biorefineries proposats el més eficient és el de la producció d'hidrogen amb un gasificador tipus IGT que aconseguix una eficiència energètica de 53%, encara que el concepte empra gasificació amb oxigen el que fa que els seus costos d'instal·lació siguen molt majors que el concepte que empra gasificació amb aire. L'economia d'escala de la planta juga un paper important en el cost de producció d'energia; així es va trobar que plantes inferiors a 500 MW tèrmics hi ha una influència significativa. A partir de plantes de 1000 MW tèrmics la influència disminuïx i no es mostra una millora significativa en el cost de producció a l'incrementar la grandària de planta. VIII Índice General 1. INTRODUCCIÓN 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1 SITUACIÓN ENERGÉTICA GLOBAL LA BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA PROCESOS DE APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA CONCLUSIONES CAPÍTULO I REFERENCIAS CAPÍTULO I 2. BIOREFINERÍAS 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 10 BIOREFINERÍAS VERDES BIOREFINERÍAS DE CULTIVO COMPLETO BIOREFINERÍAS LIGNOCELULÓSICAS (BIOREFINERÍA – LCF) BIOREFINERÍAS DE DOS PLATAFORMAS BIOREFINERÍAS MARINAS BIOREFINERÍAS TERMOQUÍMICAS CONCLUSIONES CAPÍTULO II REFERENCIAS CAPÍTULO II 3. DESCRIPCIÓN DE LAS BIOREFINERÍAS TERMOQUÍMICAS 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. LA GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA LIMPIEZA Y ADECUACIÓN DEL GAS PRODUCIDO PROCESOS DE APROVECHAMIENTO DEL GAS DE SÍNTESIS CONCLUSIONES CAPÍTULO III REFERENCIAS CAPÍTULO III 4. MODELADO Y EVALUACIÓN DE BIOREFINERÍAS TERMOQUÍMICAS 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. OBJETIVOS METODOLOGÍA ANÁLISIS DE LA BIOMASA CONCEPTOS DE BIOREFINERÍAS PROPUESTOS MODELO DE LA GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA MODELO DE LOS SISTEMAS DE LIMPIEZA DE LOS GASES PRODUCIDOS MODELO DE LA SÍNTESIS FISCHER‐TROPSCH MODELO DE PRODUCCIÓN DE CALOR Y ELECTRICIDAD MODELO DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO ANÁLISIS ECONÓMICO CONCLUSIONES CAPÍTULO IV REFERENCIAS CAPÍTULO IV 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 2 4 5 9 9 11 12 12 13 14 15 17 18 19 19 25 27 31 31 33 33 33 34 36 37 44 45 46 47 48 51 51 53 ANÁLISIS DE LA BIOMASA GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES FISCHER‐TROPSCH, ELECTRICIDAD E HIDRÓGENO ANÁLISIS ECONÓMICO CONCLUSIONES CAPÍTULO V 53 57 68 71 75 6. CONCLUSIONES 77 7. BIBLIOGRAFÍA GENERAL 80 IX ANEXO 1 GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA 88 ANEXO 2 SISTEMAS DE LIMPIEZA DEL GAS 115 ANEXO 3 PROCESOS DE APROVECHAMIENTO DEL GAS DE SÍNTESIS 125 ANEXO 4 ANÁLISIS DE LA BIOMASA 141 X Índice de Figuras Figura 1. Distribución de la producción de energía por fuentes [2]. ............................... 2 Figura 2. Producción de electricidad mediante fuentes renovables [2]. ......................... 2 Figura 3. Producción de calor mediante fuentes renovables [2]..................................... 3 Figura 4. Consumo global de energía por sectores [2]................................................... 3 Figura 5. Concepto de biorefinería verde (adaptada de[5]) .......................................... 11 Figura 6. Concepto de biorefinería de cultivo completo (adaptada de[5]) .................... 12 Figura 7. Concepto de biorefinería lignocelulósica (adaptada de[5]) ........................... 13 Figura 8. Concepto de biorefinería de dos plataformas (adaptada de[5]) .................... 14 Figura 9. Concepto de biorefinería marina (adaptada de [5]) ....................................... 15 Figura 10. Concepto de biorefinería termoquímica. ..................................................... 16 Figura 11. Distribución de fuentes de gas de síntesis[11]. ........................................... 20 Figura 12. Esquema de la gasificación indirecta. ......................................................... 24 Figura 13. Distribución de productos F-T según la ecuación ASF ............................... 28 Figura 14. Diagramas de los conceptos propuestos. ................................................... 36 Figura 15 Importador de datos de la corriente de entrada en Chemcad. ..................... 40 Figura 16. Diagrama del modelo de gasificación propuesto en CHEMCAD ................ 42 Figura 17. Diagrama del modelo del proceso de síntesis FT en CHEMCAD ............... 46 Figura 18. Diagrama del modelo de ciclo combinado en CHEMCAD .......................... 47 Figura 19. Diagrama de producción de hidrógeno en CHEMCAD ............................... 48 Figura 20. Dependencia de la pérdida de pes...
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