producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía

Producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica
3. RESULTADOS
3.1
Eficiencia energética
La figura 3 muestra la eficiencia energética a productos
para cada catalizador,
calculada como el cociente entre el poder calorífico superior de los productos con respecto al
poder calorífico superior de la biomasa alimentada. Analizando el estado del arte de los
catalizadores, los casos con catalizador de rodio tienen mayor eficiencia a etanol que los casos
con catalizador de S 2 Mo debido a su mayor selectividad a etanol. Sin embargo, la eficiencia
global a alcoholes es superior para el caso de S 2 Mo. El incremento esperado a medio (M.P.) y
largo plazo (L.P.) en la eficiencia a alcoholes para los catalizadores de S 2 Mo, no es tan
significativo como la mejora en la conversión por paso. Esto es debido a que la eficiencia a un
producto se ve afectada principalmente por su selectividad y no se espera que la selectividad
total a alcoholes aumente en un futuro para este tipo de catalizadores. Sin embargo, la
conversión por paso afecta significativamente a la inversión en los equipos del lazo de síntesis,
como se analiza más adelante.
Eficiencia a alcoholes (%PCS)
Eficiencia a etanol (%PCS)
40%
35%
30,24%
30%
31,22%
32,05%
33,64%
34,43%
28,43%
25%
20%
15%
28,16%
29,65%
27,20%
10%
33,22%
23,86%
16,51%
5%
0%
PNNL
Nº1
PNNL
Nº2
DOW
ABNT
M.P.
L.P.
Figura 3. Eficiencia energética a productos.
La energía química presente en la biomasa que no es convertida a productos sale de la
planta como corrientes de materia residual o convertida en energía térmica. Ésta última se
transforma en energía eléctrica mediante turbinas de vapor o turbinas de gas, y finalmente es
enviada a la atmósfera como calor residual. La figura 4 muestra la distribución de energía
química de la biomasa en los diferentes productos y pérdidas. La mayor parte de la energía se
pierde como calor residual en los condensadores del ciclo de vapor y de las columnas de tren
de separación. Existen otras pérdidas significativas como el gas ácido eliminado en la planta de
Selexol, el gas de combustión del ciclo combinado y los condensados extraídos en diferentes
RESULTADOS
24
Producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica
puntos del proceso. En la siguiente figura se observa como la energía química de la biomasa se
transforma en energía térmica en los diferentes puntos del proceso. En la etapa de pirólisis un
20% y en la de gasificación un 21% de la energía de la biomasa se transforma en energía
térmica, por lo que tan sólo un 59% queda disponible en el gas de síntesis para ser
transformada a productos. Además el ajuste del ratio H 2 /CO en el reactor de WGS conlleva
una pérdida del 3,2% para el caso de Rh y del 1,6% para el caso de MoS 2 . Considerando todo lo
anterior, la energía química disponible en lazo de síntesis para ser transformada a alcoholes es
el 56-57,5% de la energía alimentada en la biomasa. Los resultados finales de eficiencia a
productos se obtienen considerando, además de todo lo anterior, las pérdidas térmicas en los
reactores de síntesis y de reformado, así como la purga de gas de síntesis enviado al ciclo
combinado.
Etanol
Producto
23,86%
Enfriamien
to con aire
y con agua
39,06%
Otros
Alcoholes
8.18%
Ligeros
1,82%
Pirólisis
20,00%
Gasificador
0,80%
Gas ácido
Selexol
3,47%
Otros
1,42%
Gas de
combustión
1,39%
Figura 4. Distribución de energía química de la biomasa alimentada.
La demanda de potencia eléctrica del proceso sin considerar la planta de pirólisis está
representada en la figura 5. La potencia total demandada correspondiente al estado del arte
de los catalizadores, está comprendida entre 40.9 y 47.9MWe, siendo los casos de mayor
demanda los correspondientes al catalizador de rodio. La principal razón de este mayor
consumo es que los catalizadores de rodio tienen mayor selectividad a hidrocarburos y por
tanto el consumo de oxígeno en el reformador es mayor, aumentando la demanda de potencia
eléctrica de la ASU. En todos los casos se observa que el consumo más importante de la planta
es la producción y compresión de oxígeno, siendo un 75% de la demanda total.
RESULTADOS
25
Producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica
50
45
4,20
3,69
6,71
40
Demanda eléctrica (Mwe)
6,42
35
30
5,57
11,64
3,43
5,14
4,87
5,78
5,68
5,62
Otros consumos
eléctricos
Planta de Selexol
12,51
10,49 10,85 10,67 10,55
25
20
4,48
5,04
5,18
0,81
1,50
1,14
0,92
15
10
19,33 19,04 19,55 19,55 19,55 19,55
5
0
PNNL PNNL DOW ABNT M.P.
Nº1
Nº2
Compresión de
oxígeno
Producción de
oxígeno para el
ATR
Producción de
oxígeno para el
gasificador
L.P.
Figura 5. Demanda de potencia eléctrica en la planta.
Toda la energía eléctrica demandada en la planta es generada mediante turbinas de
vapor y de gas, en el ciclo de vapor y el ciclo combinado respectivamente, y un pequeño
porcentaje se genera expandiendo la purga enviada al ciclo combinado antes de alimentarse a
la turbina de gas como se observa en la figura 6. La generación de potencia expandiendo vapor
de alta presión está limitada al calor disponible a la salida del reformador, ya que es el punto
con mayor temperatura que se ha empleado en la generación de vapor. El hecho de que el
catalizador de rodio tenga mayor selectividad a hidrocarburos hace que se reforme mayor
caudal de gas y por tanto que el calor disponible en este punto sea mayor, por ello la
generación de potencia con el ciclo de vapor para el caso del catalizador de rodio supera a la
del caso del catalizador de S 2 Mo. Mientras que la potencia generada en la turbina de gas es la
necesaria para satisfacer la demanda de la planta.
50
Generación de potencia (Mwe)
45
40
14,95
9,47
0,09
14,97
14,14 14,39 14,23 Turbina de
gas
35
30
0,15
0,54
0,69
25
20
15
0,63
0,61
Expander
de la purga
37,58
29,92
25,24
28,03 27,15 26,67 Turbinas
10
de vapor
5
0
PNNL PNNL DOW ABNT
Nº1
Nº2
M.P.
L.P.
Figura 6. Generación de potencia eléctrica en la planta.
RESULTADOS
26
Producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica
3.2
Economía del proceso y fiabilidad de las alternativas
La figura 7 muestra el precio mínimo de venta de etanol (PMVE) para cada uno de los
catalizadores propuestos. En los casos correspondientes al estado del arte de los catalizadores
los precios oscilan entre 0.90-1.25$/l, siendo menores los precios para los catalizadores de
sulfuro de molibdeno que para los catalizadores de rodio. El caso de menor precio es el
correspondiente al catalizador de sulfuro de molibdeno patentado por ABNT, cuya mejora a
medio y largo plazo puede reducir el precio de venta hasta 0.71$/l. Sin embargo, el mayor
precio de venta corresponde a uno de los catalizadores de rodio debido principalmente al
elevado precio de dicho metal (figura 8). Además, la mayor selectividad a hidrocarburos de los
catalizadores de Rh incrementa el coste de inversión en el reformador autotérmico y en la
planta de separación de aire (figura 9), así como los costes fijos de operación ya que están
Precio mínimo de venta de etanol ($/l)
calculados como un porcentaje de coste total de inversión.
2,0
Otros costes
variables
1,05
1,5
1,25
1,20
Average Return
on Investment
0,90
1,0
0,76
0,71
Average Income
tax
Depreciación
0,5
Ventas
Costes Fijos
0,0
PNNL PNNL Dow ABNT M.P.
Nº1
Nº2
L.P.
Biomasa
-0,5
Figura 7. Mínimo precio de venta de etanol (PMVE).
160
Costes de operación (M$/año)
140
133
121
120
100
38
62
75
80
80
Subproductos
Otros costes
variables
60
40
Catalizador de
síntesis
20
Costes fijos
0
-20
Biomasa
PNNL PNNL
Nº1
Nº2
Dow
ABNT
M.P.
L.P.
-40
-60
Figura 8. Costes de operación.
RESULTADOS
27
Producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica
Analizando los costes de capital fijo (figura 9) se observa que la planta de pirólisis, la
planta de separación de aire y el gasificador representan cerca del 60% de la inversión de la
planta. El coste del ciclo de potencia es también importante, representando un 20% del coste
total de la planta para el catalizador de MoS 2 y un 15% para el catalizador de rodio. Al
comparar los casos del estado del arte de los catalizadores, las diferencias entres los costes
totales de inversión de la planta son importantes, oscilando entre 440 y 510M$. Esta inversión
se reduce hasta 421M$ en la mejora propuesta a largo plazo para el catalizador de sulfuro de
molibdeno patentado por ABNT, lo que representa una reducción del 4,2% con respecto al
estado actual de la tecnología. La reducción no es significativa porque sólo afecta a los equipos
situados dentro del lazo de síntesis y su repercusión sobre la inversión global de la planta no es
significativa.
600
511
Costes de capital fijo(M$)
500
Separación de alcoholes
504
440
441
430
421
Síntesis
Intercambiadores
400
Ciclo de potencia
300
Limpieza, acondiciomiento y
compresión del gas de síntesis
Reformado autotérmico
200
Unidad de separación de aire y
compresion de oxígeno
Gasificación
100
0
PNNL PNNL DOW ABNT
Nº1
Nº2
M.P.
L.P.
Pirólisis y compresión del bioslurry
Figura 9. Costes de capital fijo.
Como se ha observado en la figura 8, los costes de operación se determinan
principalmente por el coste de la biomasa, los costes fijos de operación y, en el caso del
catalizador de rodio, el precio del catalizador. Sin embargo, a pesar de su importancia, existe
una gran incertidumbre sobre los costes de operación relacionados con los precios de la
biomasa y del catalizador de rodio, por lo que se ha llevado a cabo un análisis de sensibilidad
sobre el efecto que ambos precios tienen sobre el precio mínimo de venta de etanol (figura 10
y 12)
RESULTADOS
28
Producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica
Precio mínmo de venta de etanol ($/L)
PNNL Nº1
ABNT
PNNL Nº2
M.P.
DOW
L.P.
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
20
40
60
80
100
120
140
Precio de biomasa ($/t seca)
Figura 10. Efecto del precio de biomasa sobre el precio mínimo de venta de etanol.
La figura 10 muestra el efecto que tiene sobre el precio de venta de etanol con
respecto a una variación en el precio de la biomasa. El resultado de dicha comparación es que
para los casos de mayor eficiencia a etanol (PNNL 1 y PNNL 2) la repercusión del precio de la
biomasa es menos significativa que para los casos de menor eficiencia (DOW y ABNT). Por
ejemplo, en el caso PNNL1, con una eficiencia del 28.16%, una variación del precio de la
biomasa de ±10$/t seca repercute en ±0.043$/l en el precio de etanol, mientras que en el caso
de DOW con una eficiencia del 16.51% la repercusión es de ±0.072$/l. Por ello es necesario
conseguir catalizadores con elevadas producciones de etanol que reduzcan el efecto de la
incertidumbre sobre el precio de la biomasa.
Por otra parte, también existe una gran incertidumbre sobre el precio del metal de
rodio, ya que en la última década ha fluctuado considerablemente, como muestra la figura 11.
350
Precio de Rh ($/g)
300
250
200
150
100
50
0
2000
2002
2004
2006
2008
2010
año
Figura 11. Evolución del precio de Rh desde el año 2000 hasta el año 2011.
RESULTADOS
29
Producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica
Estos cambios en el coste del catalizador afectan significativamente al precio de venta
del etanol (figura 12). Incluso considerando el menor precio del Rh mostrado en la figura 11 el
PMVE para los casos de rodio es mayor que para los casos de S 2 Mo. De esto se extrae que los
casos con catalizador rodio nunca serán competitivos con respecto a los casos con catalizador
de S 2 Mo, siempre que se mantengan estos precios en el mercado. Para este análisis se ha
considerado que el precio de catalizador de rodio depende principalmente del precio de dicho
Precio mínimo de venta de etanol ($/L)
metal, siendo los demás factores despreciables.
1,8
1,6
1,4
1,2
PNNL Nº1
1,0
PNNL Nº2
0,8
0,6
0
20
40
60
80
Precio de mercado de Rh ($/g)
100
120
Figura 12. Efecto del precio del Rh sobre el precio mínimo de venta de etanol.
3.3
Comparación con la ruta bioquímica de producción de
etanol.
La viabilidad comercial de ruta de obtención de etanol bioquímico a partir de biomasa
lignocelulósica ha sido recientemente analizada por Kazi et al. [53] comparando algunas
tecnologías que podrían ser comerciales a corto plazo. La metodología seguida para calcular el
coste de producción de etanol es la misma que la empleada en este trabajo y las suposiciones
económicas son muy similares (10% de tasa de retorno, 20 años de vida útil de la planta y
100% de financiación propia). Dentro de las distintas alternativas analizadas por Kazi et al. la
de menor precio de venta de etanol es la que emplea ácido sulfúrico reducido en el
pretratamiento, hidrólisis enzimática y co-fermentación de glucosa y sylosa. En la tabla 12
aparece una comparación entre este proceso y el caso de etanol termoquímico de menor
PMVE dentro del estado del arte de los catalizadores analizados en este trabajo (S 2 Mo ABNT).
Los costes han sido actualizados al año 2010 mediante los índices de costes CEPCI.
RESULTADOS
30
Producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica
Bioquímica
Termoquímica
(DAP+EH+CF)1
(EF+S 2 Mo ABNT)
87
87
Alimentación de biomasa (t seca/día)2
2000
2140
Producción de etanol (ML/año)3
202
147
Generación de electricidad 4 (MWe)
25.8
0
Inversión total de la planta 5 (M$)
395
476
Ventas de co-productos y/o electricidad (M$/yr)
12.3
21.4
Costes de operación netos6 (M$/yr)
124.5
76.6
MESP ($/L)
0.95
1.00
Precio de alimentación ($/t seca)
Tabla 12. Comparación de la ruta bioquímica para la obtención de etanol [52] con la opción
para ruta termoquímica más competitiva dentro de las analizadas en este trabajo.
1
DAP=Pretratamiento con ácido sulfúrico diluido; EH=Hidrólisis enzimática; CF=co-fermentación;
Ruta bioquímica: residuos de maíz (25% h.). Ruta termoquímica: virutas de madera (30% h).
3
Ruta bioquímica: 8406 h/año. Ruta termoquímica: 8000 h/año.
4
Electricidad generada y vendida a la red, 8,5cent/Kwh
5
Incluyendo el capital circulante.
6
Cotes de operación fijos y variables menos las ventas de coproductos y electricidad.
2
Los resultados de proceso termoquímico se han recalculado para el mismo precio de
biomasa tomado en el proceso bioquímico. Al comparar ambos procesos se observa que la vía
termoquímica con gasificador EF y catalizador de S 2 Mo consigue un PMVE 5% superior al
alcanzado con la vía bioquímica. Esto puede ser debido a la mayor eficiencia a etanol de la vía
bioquímica y a que su inversión en capital es inferior, no obstante los costes de operación son
muy superiores a los de la vía termoquímica. De esta comparación se extrae que una mejora
de la selectividad a etanol en los catalizadores de MoS 2 es un aspecto crítico en futuras
comparaciones con la vía bioquímica.
3.4
Comparación con trabajos similares.
Dutta et al. [20] ha publicado recientemente un proceso de producción de mezcla de
alcoholes, similar al analizado en este trabajo pero con la diferencia de que asumen que
importantes mejoras en áreas críticas del proceso estarán disponibles a corto plazo. En
particular, las principales suposiciones son importantes mejoras en los actuales catalizadores
de S 2 Mo (similares a las esperadas en este trabajo a largo plazo) y el empleo de alimentadores
de biomasa a presión de tipo pistón. Considerando las mismas suposiciones económicas y
tamaños de planta similares, el precio de venta de etanol alcanzado por Dutta et al. es de
RESULTADOS
31
Producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica
0,66$/l para un precio de biomasa de 53$/tn de biomasa seca. El precio alcanzado por estos es
menor que el alcanzado en este trabajo, porque además de las mejoras del catalizador, utilizar
alimentadores a presión de biomasa sólida les permite prescindir del pretratamiento de
pirólisis y por tanto aumentar la eficiencia energética de la planta, llegando hasta un 38%PCS.
Para conseguir una comparación más realista, se han simulado en nuestra planta este tipo de
alimentador para el mejor de los catalizadores actuales y la mejora del mismo a largo plazo, los
resultados han sido una reducción de 0.90 a 0.68$/l para el primero y de 0.71 a 0.55 $/l para el
segundo. Con esto queda reflejado el impacto que sistema de alimentación de biomasa tiene
sobre la economía del proceso para gasificadores de lecho fluido a presión.
RESULTADOS
32