Thermochemical Biorefineries and based on DME as platform chemica = Biorrefinerías termoquímicas basadas en DME como intermediario: conceptual design and technoeconomic assessment = diseño conceptual y análisis tecno-económico
- Autores: Pedro García Haro
- Directores de la Tesis: Pedro Antonio Ollero de Castro (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2013
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 255
- Tribunal Calificador de la Tesis: Constantino Fernández Pereira (presid.), Alberto Gómez-Barea (secret.), Mercedes Ballesteros Perdices (voc.), Eulogio Castro Galiano (voc.), Filip Johnsson (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
- español
Esta tesis se centra en el estudio de biorrefinerías termoquímicas (instalación que procesa biomasa para la producción de una gran variedad de productos: combustibles para la producción de calor o electricidad, carburantes para la automoción, compuestos químicos, materiales, calor y/o electricidad) basadas en gasificación de biomasa. Hasta ahora el estudio de biorrefinerías termoquímicas se ha centrado en procesos de producción de combustibles líquidos (automoción) y gaseosos, generalmente orientados a un único producto (procesos BTL/G). Estudios clásicos de procesos BTL/G son la producción de diésel Fischer-Tropsch, bioetanol, metanol, hidrógeno y gas natural sintético (SNG). En estos procesos el gas de síntesis procedente de la gasificación es convertido directamente en el producto buscado. Esta síntesis directa presenta ciertos inconvenientes, en particular en la síntesis de bioetanol, donde la productividad es baja y la presión de operación elevada. Con el objetivo de mejorar la productividad del proceso, se ha planteado el uso de un intermediario de reacción (platform chemical). De esta forma el gas de síntesis sería primero convertido en el platform chemical, que posteriormente se convertiría (consumiendo más gas de síntesis) en el producto final (bioetanol). Se han revisado diversos platform chemicals para la síntesis indirecta de carburantes y químicos a partir de gas de síntesis y se han identificado las distintas rutas químicas con interés para una biorrefinería termoquímica. En el caso de la síntesis indirecta de etanol, la ruta de hidrocarbonilación de DME (dimetiléter) presenta la ventaja de que permite operar a presiones moderadas y con gran selectividad a etanol. En este proceso se genera también metanol como subproducto de la reacción. Sin embargo éste se puede convertir en más DME empleando los equipos ya existentes en la planta, por lo que su impacto es mínimo. Precisamente ésta característica (la fácil recirculación de los subproductos de la reacción) es la ventaja del uso de las rutas indirectas, que permite que las plantas compensen una mayor inversión respecto los BTL/G (más equipos para la conversión indirecta del gas de síntesis) con la mayor producción (la conversión global es superior a la de la síntesis directa). Particularmente, el DME ofrece una serie de ventajas como platform chemical respecto al resto de compuestos revisados. Usando la ruta de la hidrocarbonilación de DME se ha diseñado y evaluado la producción en una planta comercial (500 MW de biomasa) de bioetanol. Los resultados demuestran que se puede producir etanol a un precio inferior a los 0,45 �/L.
La multiproducción en una biorrefinería termoquímica permite la coproducción de una amplia gama de productos: combustibles para la producción de calor o electricidad, carburantes para la automoción, compuestos químicos (tanto commodities como de gran valor), materiales, calor y/o electricidad. El uso de un platform chemical también presenta importantes ventajas en este tipo de plantas y de hecho permite que la coproducción se pueda realizar sin merma de la eficiencia global del proceso. En la tesis se han diseñado y evaluado una serie de conceptos de biorrefinería termoquímica con multiproducción usando el mismo platform chemical (DME) que con la síntesis indirecta de etanol, por sus buenos resultados. En estos conceptos se han contemplado diversas combinaciones entre los siguientes productos: bioetanol (puede usarse como substituto de la gasolina o como commodity para la producción de biobutanol o bioetileno), DME (substituto del diésel, del gas licuado del petróleo �calefacción�, o como commodity para la producción de olefinas), metilacetato (solvente y precursor del acetato de celulosa entre otros usos), hidrógeno (commodity o carburante) y electricidad. El posterior estudio tecno-económico de estos casos concluye que aquellos que coproducen metilacetato, un compuesto de gran valor en el sector petroquímico, ofrecen rentabilidades por encima del 20%. Este tipo de plantas se benefician de la economía de escala para la producción de un producto de gran valor pero en un volumen reducido. De esta forma la coproducción de un producto con un gran volumen y bajo precio junto con un producto de gran valor y bajo volumen (el precio del metilacetato es más del doble del resto de los productos contemplados) permite que la biorrefinería sea rentable y al mismo tiempo diversifica los sectores de negocio (reduciendo su dependencia de la evolución del mercado). La experiencia ganada en el diseño de biorrefinerías termoquímicas ha permitido la inclusión de un capítulo con recomendaciones para el estudio y diseño conceptual de plantas multiproducto.
Fruto de la colaboración con el Karlsruhe Institute of Technology (KIT, Alemania), se ha evaluado también un enfoque alternativo al desarrollado originalmente en esta tesis. El proyecto bioliq® contempla una alternativa distinta para la producción del gas de síntesis (pirólisis y gasificación EF con oxígeno a alta temperatura) y un escenario técnico-económico más conservador (escenario económico: precio biomasa). Se han diseñado y evaluado tres conceptos de biorrefinería termoquímica bajo las premisas del proyecto bioliq®, todos ellos usando DME como platform chemical: la producción de gasolina sintética, la producción de olefinas y la producción combinada de gasolina sintética y etileno. Estos conceptos, a pesar de que resultan desfavorables desde el punto de vista económico (debido al escenario del bioliq®), refuerzan lo ya evaluado en los anteriores conceptos de biorrefinería: compensación de los mayores costes de inversión debidos a la multiproducción por la integración energética y material.
La producción de etileno a partir de bioetanol se ha estudiado con el objeto de compararla con la producción de olefinas a partir de DME comentada antes. Diversos escenarios se han contemplado en función del origen de bioetanol. Así por ejemplo se ha analizado el uso de bioetanol comercial (1ª generación), de bioetanol de 2ª generación tanto el producido por procesado bioquímico (hidrólisis enzimática o fermentación de gas de síntesis) como por procesado termoquímico (síntesis directa o indirecta). Los resultados muestran que el mejor escenario es el que emplea bioetanol brasileño (escenario actual) o bioetanol por síntesis indirecta (escenario futuro).
La sostenibilidad de las biorrefinerías termoquímicas, al igual que la de la bioquímicas, no puede ser asumida per se. En el caso de esta tesis el estudio de la sostenibilidad se ha centrado en las plantas con multiproducción, ya que la diversificación de la producción (en especial por la producción de químicos) plantea dudas en la aplicación de la legislación Europea (Directiva 2009/28/EC). Se ha propuesto una metodología que incluye la ponderación de los distintos productos y servicios, así como el tratamiento de las emisiones en el uso final de los mismos. Los resultados de la aplicación de la metodología propuesta y de la metodología sin adaptar de la UE demuestran que los conceptos analizados cumplen con los requisitos de sostenibilidad. Además, en todos los casos, la emisiones de gases de efecto invernadero son inferiores (o muy inferiores) al límite establecido por lo que se ha estudiado la posible venta de derechos de emisión asociados a esta reducción extra. La incorporación de BECSS (captura y secuestro de CO2 en biorrefinerías) también ha sido analizada en la mayoría de los conceptos de biorrefinería termoquímicas, que se ven favorecidos de un bajo coste de captura de CO2 respecto a las plantas convencionales de potencia. La captura de CO2 en biorrefinerías termoquímicas permite que se lleguen a alcanzar emisiones negativas.
El trabajo futuro en el ámbito de las biorrefinerías termoquímicas se debería enfocar al diseño y evaluación de nuevos conceptos de biorrefinería usando otras rutas y distintos platform chemicals. El uso de biomasa puede contribuir significativamente a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la producción de químicos sería clave en una reducción acelerada de dichas emisiones. Sin embargo, la reducción de emisiones en la producción de bio-químicos todavía no ha sido regulada.
- English
This thesis deals with the conceptual design and assessment of thermochemical biorefineries (through gasification and mostly using DME as a platform chemical), combining the technical, economic, environmental and social (regulation) perspectives. Current projects of thermochemical biorefineries (BTL/G: biomass-to-liquid/gas process) are usually energy-driven and focused on the production of a single biofuel. In this thesis, a different concept is proposed: thermochemical biorefineries using a platform chemical, which is a new field of research focused on the co-production of fuels, chemicals, materials and services (heat and electricity) using lignocellulosic biomass. This kind of biorefinery benefits from potentially better energy and material integration, they are not limited to a single market (energy or chemical) and can produce high-value low-volume product (high-value chemicals) in large-scale facilities. Paper 1 reviews the most important routes (for the design of thermochemical biorefineries) via a platform chemical including those known from petro and carbochemistry, and those recently developed. Paper 2 assesses the use of DME as platform chemical for the synthesis of ethanol from lignocellulosic biomass. This indirect synthesis of ethanol from syngas using the DME hydrocarbonylation route overcomes the limitations of the production of ethanol via direct synthesis (low yield process), enhancing the global energy efficiency of biomass conversion and at milder operating conditions (pressure). Paper 3 assesses the valorization of bioethanol for the production of ethylene as a precursor of plastics and commodities for the organic industry, which could not be produced so efficiently directly from syngas. Despite the conversion of ethanol (platform chemical) into ethylene being a mature technology, the use of bioethanol presents different uncertainties (origin of the bioethanol: 1st, 2nd generation, scale capacity and profitability) which are analyzed in this paper. Paper 4 gives a general view of thermochemical biorefineries and a discussion of the main aspects of the design of thermochemical biorefineries with multiproduction using a platform chemical. The technical, economic, environmental and social (regulation) perspectives are discussed along with recommendations for the future development of thermochemical biorefineries. Paper 5 assesses the design of a thermochemical biorefinery focused on multiproduction using DME as a platform chemical. The selected chemical routes are the carbonylation and hydrocarbonylation of DME. The co-production of a high-value low-volume product (e.g. methyl acetate) and a low-value high volume product (e.g. DME) achieves greatest profitability. Paper 6 assesses the realization of a thermochemical biorefinery producing synthetic gasoline and ethylene through the combination (integration) of two direct routes from syngas producing synthetic gasoline and olefins from DME as a platform chemical. Paper 7 gives a methodology for the assessment of sustainability based on European regulations, using the designs of Paper 5. The resulting savings of GHG emissions are greater than that required by European regulations and, therefore, two alternatives for the valorization of extra-avoided GHG emissions (extra saving) have been proposed: via the sale of CO2 credits (extra-avoided emissions) and the co-feeding of fossil fuels.
- español
