implementación de herramientas de ingeniería de procesos...
TRANSCRIPT
Implementación de herramientas de ingeniería de procesos en el diseño de
biorrefinerías
Julián Andrés Quintero Suárez, Ph.D. MSc, Ing. químico Escuela de Ingeniería Bioquímica, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica
de Valparaíso, Valparaíso, Chile. [email protected]
1er Ciclo de Conferencias sobre Biotecnología para Bioenergía
28 y 29 de Agosto de 2017, Saltillo, Coahuila, México
Concepto de biorrefinería
“Instalación con el equipamiento necesario para integrar los procesos de conversión de biomasa en combustibles, energía y
coproductos de valor agregado. Las biorrefinerías sueles ser análogas a las refinerías de petróleo en la actualidad”
(NREL, National Renewable Energy Laboratory)
“Instalación donde se generan, de forma sostenible, un amplio espectro de productos de interés comercial a partir de biomasa”
(IEA, International Energy Agency)
¿Tenemos las herramientas para lograr un diseño sostenible de biorrefinería?
¿Cómo transfiero mis resultados experimentales al diseño de una
biorrefinería ?
¿Cómo contribuyen mis datos experimentales en el diseño de una
biorrefinería?
Herramientas computacionales
Computadores más potentes Desarrollo de algoritmos de cálculo Lenguajes de programación
Software de Modelamiento y Simulación
Procesos petroquímicos
Hysim
Hysys
Procesos biotecnológicos
SuperPro Designer
ProII
Aspen Plus V.9
Modelamiento y Simulación
Flujos de Masa
Flujos de Energía
Dimensionamiento de equipos
Necesidades de equipos auxiliares
Optimización de condiciones de operación
Diseño preliminar de equipos
Evaluación económica
Alternativas tecnológicas
Modelamiento y Simulación
Bondades Ahorro de tiempo en el diseño de un proceso
Identificar operaciones auxiliares antes no consideradas
Visión global de todo el proceso
Idea cercana de un proceso a nivel comercial
Precauciones No deja de ser una representación virtual
Resultados altamente dependientes de la experiencia del usuario
Se requiere un conocimiento básico tras las operaciones unitarias involucradas
1. Balances de masa y energía
2. Integración energética (Análisis pinch)
3. Evaluación económica (Aspen Process Economic Analizer)
4. Evaluación ambiental (Análisis de Ciclo de Vida)
En busca de la sostenibilidad desde el diseño
Análisis de Ciclo de Vida (ACV)
Es una metodología que evalúa los impactos ambientales de un determinado producto o servicio.
Considera todo lo que ocurre desde la extracción de las materias primas, elaboración y uso del producto y tratamiento de los residuos.
Normas ISO
• Norma ISO 14040 – Conceptos generales de ACV
• Norma ISO 14041 – Objetivo y Alcance
• Norma ISO 14042 – Evaluación de Impacto
• Norma ISO 14043 - Interpretación
• Norma ISO 14044 – Reemplazó a 41, 42 & 43
Etapas del ACV
Norma ISO 14040.
Definición del Objetivo y Alcance
InterpretaciónAnálisis del Inventario
Evaluación del Impacto
Métodos de evaluación de impacto Ejemplo de categorías de Impacto de PUNTO MEDIO
Calentamiento Global
Emisiones de gases de efecto invernadero (CH4, N2O, CFCs y CO2)
Acidificación
Cambios en la acidez de suelo y agua (SOx, NOx y NHx)
Eutrofización
Altos niveles de macronutrientes (N y P) en suelo y agua (genera alta producción de biomasa, e.j algas)
Agotamiento Abiótico
Asociada con la extracción de minerales y combustibles fósiles
Destrucción de la capa de ozono
Aumento de la incidencia de la radiación UV (Bromo, Flúor, Cloro y CFCs)
Smog Fotoquímico
Formación de fotooxidante (ozono) en la troposfera a traves de la interacción con la radiación solar (NOx, VOC, CFCs)
Ecotoxicidad
Impacto en flora y fauna de las emisiones de compuestos tóxicos
Métodos de evaluación de impacto Ejemplo de categorías de Impacto de PUNTO FINAL
Daños a la salud humana
Numero y duración de las enfermedades y los anos de vida perdidos debidos a la muerte prematura por causas ambientales.
Medido en “anos de vida sometidos a una discapacidad” (DALYs)
Daño a la calidad del ecosistema
Efecto sobre la diversidad de especies, especialmente en las plantas vasculares y los organismos sencillos.
Medido como el porcentaje de todas las especies presentes en el ambiente viviendo bajo estrés tóxico (PDF).
Daño a los recursos
En esta categoría se incluye la necesidad extra de energía requerida en el futuro para extraer mineral de baja calidad y recursos fósiles.
Medido como MJ de energía extra.
Estructura de inventarios Análisis de Ciclo de Vida
Otros Vertidos
ENTRADAS
Materias Primas
Energía
SALI DAS
EmisionesAtmosféricas
Efluentes
Líquidos
ResiduosSólidos
Coproductos
Adquisición de materias primas
Producción
Uso/Reuso/Mantenimiento
RecicladoGestión del Residuo
Metodología de diseño de biorrefinerías
Modelos
Datos de laboratorio
Inventario del proceso
Inventarios Materia prima Resultados de ACV
Diseño del proceso
Producción de bioetanol
• Materia prima: Eucalyptus globulus
• Aspen Plus v7.3. Escala de la planta: 2000 t/d (base madera seca).
• SimaPro Software v8.0 (Pré Consultant, Netherlands)
• ACV de la producción forestal
• ACV de la producción de bioetanol (Cuna a la puerta)
• Comparación ACV mezcla E5 vs Gasolina
Caso 1: Producción de bioetanol
Consideraciones metodológicas
• El escenario forestal bajo estudio considera 1 ha de cultivo de E. globulus.
• La densidad de la plantación: 5,000 árboles·ha-1
• Rendimiento de biomasa: 18.8 m3·ha-1·año-1. • Duración de 12 años. • 3 rotaciones (cosecha).
• Periodo de rotación de cultivos: 4 años.
• Datos de campo proporcionados por los
trabajadores forestales (ej: tipo de maquinaria, horas de operación, dosis de agroquímicos, consumo de combustibles, etc.)
Categorías de impacto Método de punto medio ReciPe
• Climate Change (CC)
• Ozone Depletion (OD)
• Human Toxicity (HT)
• Photochemical Oxidation Formation (POF)
• Terrestrial Acidification (TA)
• Freshwater Eutrophication (FE)
• Marine Eutrophication (ME)
• Terrestrial Ecotoxicity (TET)
• Freshwater Ecotoxicity (FET)
• Marine Ecotoxicity (MET)
• Water Depletion (WD)
• Fossil Depletion (FD)
Contribución de la fase 2: Corte
Procesos involucrados en el ciclo de corte Procesos involucrados en la fertilización
Fertilización principal
contribuyente (35% a 99%)
Aspectos clave de la producción de bioetanol
Parámetros Unidad Valor
Producción t bioetanol/d 363,1
Rendimiento kg bioetanol/t madera 134,0
Emisiones GEI kg CO2 eq/kg bioetanol -3,81
kg CO2 eq/MJ -0,11
Balance
energético MJ/MJ 6,5
Valor energético
neto (NEV) MJ/L 22,3
Values
S1+S2
(kg CO2 eq/kg bioetanol)
2,46
Secuestration-C
(kg CO2 eq/kg bioetanol) (S1)
-6,28
Emisión neta**
(kg CO2 eq/kg bioetanol) -3,81
Contribución por fase involucrada en la producción de E5
-20
0
20
40
60
80
100
CC OD HT POF TA FE ME TET FET MET WD FD
Rela
tive C
on
trib
uti
on
s (
%)
Eucalyptus cultivation Bioethanol production Bioethanol Blend production Final use
E5 vs Gasolina
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CC POF TA ME TET MET WD FD
Rela
tive c
on
trib
uti
on
s (
%)
E5 Gasolina
E5 vs Gasolina
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
OD HT FE FET
Rela
tive C
on
trib
uti
on
s (
%)
E5 Gasolina
Conclusiones
• El uso de E5 reduce el impacto ambiental en las categorías de: cambio climático, acidificación terrestre, eutrofización de agua dulce, ecotoxicidad de agua dulce, ecotoxicidad marina, agotamiento del agua y agotamiento de recursos fósiles.
• El uso de E5 aumenta las contribuciones a otras categorías, como el
agotamiento del ozono, la toxicidad humana, la formación de oxidantes fotoquímicos, la eutrofización marina, ecotoxicidad terrestre y el agotamiento de metales.
• Las actividades involucradas en la producción de la mezcla de etanol son las principales contribuyentes al impacto del medio ambiente, debido a la gasolina requerida en la mezcla, así como el uso final del E5 debido a las emisiones de combustión.
MESP por caso
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 100 200 300 400
MES
P [
USD
/L]
Rendimiento [kg/ton]
CB10
CB18
FSP
FC
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
CB10 CB18 FSP FC
MES
P [
cUSD
/L]
CB10
CB18
FSP
FC
Parámetros clave
Parameter Unidad HF PF CF
Producción de etanol t/d 215.7 253.3 370.6
Rendimiento de etanol Kg/t 175.6 206.2 301.8
Producción neta de electricidad
MW 17.7 13.5 8.6
Producción de biogas t/h 15.9 13.8 7.3
Conc. metano t CH4/h 4.5 4.0 2.2
Emisiones GEI Kg CO2 eq/kg Etanol 0.67 0.64 0.40
Impactos para cada configuración de diseño
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
AbioticDepletion
Acidification Eutrophication GlobalWarming
Ozone LayerDepletion
HumanToxicity
Fresh WaterAquatic
Ecotoxicity
MarineAquatic
Ecotoxicity
TerrestrialEcotoxicity
PhotochemicalOxidation
Rel
ativ
e co
ntr
ibu
tio
ns
(%)
Hexoses Fermentation (HF) Separated Fermentation of Pentoses (PF) Simulataneous co-fermentation (CF)
CML 2 Baseline 2000 v2.05 method.
Calentamiento global
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
HF PF CF
kg C
O2
eq
/kg
Eth
ano
l
Enzyme production Eucalyptus cultivation Transport Process production
HF: Fermentación
de hexosas
PF: Fermentación
de pentosas
CF: Co-
Fermentación
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
0.0035
0.0040
0.0045
HF PF CF
kg S
O2
eq
/kg
Eth
ano
l
Acidification
Enzyme Production Eucalyptus cultivation
Transport Process production
0.00E+00
2.00E-04
4.00E-04
6.00E-04
8.00E-04
1.00E-03
1.20E-03
HF PF CFkg
PO
4 e
q/k
g Et
han
ol
Eutrophication
Enzyme Production Eucalyptus cultivation
Transport Process production
HF: Hexose Fermentation PF: Pentose Fermentation CF: Co-Fermentation
0.0E+00
2.0E-04
4.0E-04
6.0E-04
8.0E-04
1.0E-03
1.2E-03
1.4E-03
1.6E-03
HF PF CF
kg 1
,4 D
B e
q/k
g Et
han
ol
Photochemical Oxidation
Enzyme production Eucalyptus cultivation
Transport Process production
0.0E+00
2.0E-08
4.0E-08
6.0E-08
8.0E-08
1.0E-07
1.2E-07
1.4E-07
HF PF CF
kg C
FC-1
1 e
q/k
g Et
han
ol
Ozone Layer Depletion
Enzyme production Eucalyptus cultivation
Transport Process production
HF: Hexose Fermentation PF: Pentose Fermentation CF: Co-Fermentation
Comparación por etapas de proceso: Calentamiento global
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
HF PF CF
GW
P (
kg C
O2
eq
/kg
Eth
ano
l)
Saccharification Fermentation Co-generation WWT Liquor Treatment
HF: Hexose Fermentation PF: Pentose Fermentation CF: Co-Fermentation
Conclusiones
• La fermentación tiene un claro efecto en los impactos abientales del proceso global, siendo la co-fermentación la major opción desde el punto de vista de amigabilidad ambiental.
• El major aprovechamiento de los azúcares incrementa el rendimiento a etabol y por ende se obtienen menores impactos ambientales en el ACV del bioethanol.
• Integración de biorrefinerías
• Integración energética
• Sostenibilidad energética
Caso 3: Producción de ABE
Small-scale Integrated BIOrefineries
Integración de biorrefinerías
BIORREFINERÍA SECA
BIORREFINERÍA HÚMEDA
Químicos
Bioproductos
Biocombustibles
Residuos lignocelulósicos
agrícolas y/o agroindustriales
(Humedad <20%)
Residuos orgánicos de ganado y/o
agroindustriales (Humedad >80%)
Fuente: ERANET-LAC, 2014.
Escala del proceso
Materias primas (kg/día)
Paja de trigo 100.000
Purines de cerdo 483.818
Producto (kg/día)
Biobutanol 9.800
Comparación escenarios
Requerimiento energético 89,98 GJ/h
Energía generada (GJ/h)
% Energía cubierta
% Energía faltante
Producción de vapor mediana presión 37,7 41,90 58,10
Producción de vapor alta presión 31,68 35,21 64,79
Producción de vapor de media y alta presión 90,29 100 0
La cantidad de paja de trigo requerida para suplir la
energía térmica de la planta es de 99.600 kg/día.
Pretreatment Saccharification
Fermentation48. 65 GJ/h
Products recovery39.93 GJ/h
Wheat straw
Liquor + Lignin
Biomiass + Stillage
E E
Requerimiento energético Biorrefinería seca
Pretreatment Saccharification
Fermentation48. 65 GJ/h
Anaerobic digestion1.4 GJ/h
Products recovery39.93 GJ/h
Liquor + ligninBiomass + StillageE
Wheat straw
Swine manureE
THERMAL ENERGY PRODUCED 37.7 GJ/h
(Steam at 165°C and 4.4 bar)
Integración de biorrefinerías
Autosuficiciencia energética
Pretreatment Saccharification
Fermentation48. 65 GJ/h
Anaerobic digestion1.4 GJ/h
Products recovery39.93 GJ/h
Liquor + lignin
Biomass + StillageE
Wheat straw
Swine manureE
Wheat strawTHERMAL ENERGY PRODUCED
68.89 GJ/h (Steam 165°C, 4.4 bar)
THERMAL ENERGY PRODUCED 22.18 GJ/h
(Steam 236°C, 24 bar)
Energía total requerida
89.98 GJ/h
Energía
producida
(GJ/h)
%
Cubierto
%
Energía
faltante
Biorrefinería integrada, solo
producción de vapor
mediana presión 37.7 41.90 58.10
Biorrefinería inegrada, con
producción adicional de
vapor de alta presión
usando paja de trigo 90.29 100 0
Conclusión
La cantidad de paja de trigo requerida para suplir la
energía térmica de la planta es de 99.600 kg/día.