Análisis de prefactibilidad técnico económica de la producción de urea verde en Colombia | Technical and economic pre-feasibility analysis of green urea production in Colombia

La presente tesis de trabajo de grado presenta el análisis técnico y económico de un novedoso proceso para la síntesis de urea verde esto con el fin descarbonizar la industria de los fertilizantes específicamente la urea y garantizar tanto la producción de urea en Colombia y aprovechar su potencial para aprovechar la producción de hidrogeno en el país. La planta de síntesis de urea verde propuesta utiliza un proceso de electrólisis PEM impulsado por energía de la red (suministrada a partir de certificado de energía renovable), producción de nitrógeno, argón y oxígeno a partir de la separación criogénica del aire, para producir amoniaco (NH3) y captura de dióxido de carbono proveniente de los gases de combustión de una caldera de biomasa, los cuales se sintetizan para formar carbamato de amonio (NH2COONH4) que finalmente se deshidrata para formar urea y agua creando así un proceso sostenible y respetuoso con el medio ambiente. Mediante balances de masa y energía, este estudio estimo los requerimientos técnicos, (masa y energía) de cada uno de los procesos indicados mediante juicio determinista para posteriormente realizar una evaluación económica y financiera mediante análisis de sensibilidad del proceso propuesto. El presente trabajo propone dos alternativas de producción a evaluar y para una capacidad de 320 kton/año Urea, el consumo total de energía es de 138.5 GW/h (1662 GWh/año), esto es casi la demanda de energía al año de la región Centro del país y la unidad de electrólisis representa cerca del 95% de la demanda total de energía. La inversión total de capital estimada para la planta de urea es de cerca de 600 MMUSD, con un gasto operativo anua, OPEX de 150.27 MMUSD. La unidad de electrolisis y síntesis de urea representaron el 31.4% y 42.2% respectivamente del costo de capital total, mientras que la energía eléctrica requerida represento cerca del 81% de los costos operativos variables. El costo nivelado de la urea (LCOU) se estima en 668.6 USD/ton y 622.8 USD/ton para las alternativas de 320Kton/año y 480 kton/año respectivamente, que es aproximadamente un 212% y 197.7% que el precio de venta de urea a partir del proceso convencional asumido en este trabajo (315 USD/ton). La unidad de electrolizador contribuyó con el 40 % del LCOU total. El análisis de sensibilidad mostró que una disminución del 50 % (0.034 USD/kWh) en el precio de la electricidad con respecto al caso base (0,074 USD/kWh) podría reducir el LCOU en un 56 % (490 USD/ton) y 41% (444 USD/ton) para las alternativas 1 y 2 respectivamente. Al reducir el costo de la energía eléctrica a 0.018 USD/KWh, el precio de venta de la urea podría bajar hasta 450 USD/ton, lo que representa un 42.85% adicional respecto al precio estimado de la urea gris. Esto evidencia que, al implementar plantas a mayor escala, los costos de producción, CAPEX y el precio de venta disminuyen, contribuyendo en la rentabilidad del proyecto.

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 12 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN .......................................................................... 13 2.1. PROBLEMÁTICA .......................................................................................................................... 13 2.2. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................... 14 3. OBJETIVOS ........................................................................................................................................... 16 3.1. Objetivo General ........................................................................................................................ 16 3.2. Objetivos Específicos ................................................................................................................. 16 4. CONTEXTO Y MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 16 4.1. Cambio climático/Transición Energética .................................................................................... 16 4.2. Contexto General de los Fertilizantes ........................................................................................ 18 4.2.1. Urea ................................................................................................................................... 20 4.2.2. Mercado global de la urea ................................................................................................ 21 4.2.3. Mercado LATAM ................................................................................................................ 25 4.3. Contexto Nacional Urea ............................................................................................................. 27 4.4. Mercado nacional urea—Importación/Exportación urea ......................................................... 28 4.5. MARCO TEORICO ....................................................................................................................... 32 4.5.1. Descarbonizar ................................................................................................................... 32 4.5.2. Producción de Hidrogeno ................................................................................................. 33 4.5.3. Producción de Nitrógeno .................................................................................................. 36 4.5.4. Producción de Amoniaco .................................................................................................. 39 4.5.5. Biomasa ............................................................................................................................. 40 4.5.6. Producción Urea................................................................................................................ 42 5. Selección Tecnologías .......................................................................................................................... 45 6. DIMENSIONAMIENTO TECNICO PLANTA UREA ................................................................................... 48 6.1. Determinación de la Capacidad planta Urea Colombia ............................................................. 49 6.2. Ubicación ................................................................................................................................... 52 6.3. Diagrama de bloques del proceso ............................................................................................. 55 6.4. Factores estequiométricos ........................................................................................................ 55 6.5. Factores Plantas ......................................................................................................................... 57 6.6. Balance de Masa y Energía. ....................................................................................................... 59 6.7. Selección de los equipos de la planta ........................................................................................ 63 6.8. Área Planta Urea ........................................................................................................................ 70 7. ANÁLISIS FINANCIERO ......................................................................................................................... 71 7.1.1. Precio Urea ........................................................................................................................ 74 7.1.2. Capex/Opex ....................................................................................................................... 75 7.1.3. Viabilidad Financiera ......................................................................................................... 79 7.1.4. LCOU ................................................................................................................................. 82 7.1.5. Análisis Sensibilidad .......................................................................................................... 83 8. ANALISIS DE RESULTADOS Y RECOMENDACIONES .............................................................................. 87 9. CONCLUSIONES ................................................................................................................................... 90 10. REFERENCIAS .................................................................................................................................. 92

Maestría

This degree thesis presents the technical and economic analysis of a novel process for the synthesis of green urea to decarbonize the fertilizer industry, specifically urea, and guarantee both the production of urea in Colombia and take advantage of its potential to take advantage of hydrogen production in the country. The proposed green urea synthesis plant uses a PEM electrolysis process powered by grid energy (supplied from a renewable energy certificate), production of nitrogen, argon and oxygen from cryogenic air separation, to produce ammonia (NH3) and capture carbon dioxide from the flue gases of a biomass boiler, which are synthesized to form ammonium carbamate (NH2COONH4) which is finally dehydrated to form urea and water, thus creating a sustainable and environmentally friendly process. Using mass and energy balances, this study estimates the technical requirements (mass and energy) of each of the indicated processes using deterministic judgment to subsequently perform an economic and financial evaluation using sensitivity analysis of the proposed process. This work proposes two production alternatives to be evaluated and for a capacity of 320 kton/year of Urea, the total energy consumption is 138.5 GW/h (1662 GWh/year), which is almost the annual energy demand of the central region of the country and the electrolysis unit represents about 95% of the total energy demand. The total estimated capital investment for the urea plant is about 600 MMUSD, with an annual operating expense, OPEX, of 150.27 MMUSD. The electrolysis and urea synthesis units accounted for 31.4% and 42.2% respectively of the total capital cost, while the electrical energy required accounted for about 81% of the variable operating costs. The levelized cost of urea (LCOU) is estimated at 668.6 USD/ton and 622.8 USD/ton for the 320Kton/year and 480Kton/year alternatives respectively, which is approximately 212% and 197.7% of the urea sales price from the conventional process assumed in this work (315 USD/ton). The electrolyzer unit contributed 40% of the total LCOU. The sensitivity analysis showed that a 50% decrease (0.034 USD/kWh) in the electricity price with respect to the base case (0.074 USD/kWh) could reduce the LCOU by 56% (490 USD/ton) and 41% (444 USD/ton) for alternatives 1 and 2 respectively. By reducing the cost of electricity to 0.018 USD/kWh, the sales price of urea could drop to 450 USD/ton, which represents an additional 42.85% with respect to the estimated price of grey urea. This shows that, by implementing larger-scale plants, production costs, CAPEX and the sales price decrease, contributing to the profitability of the project.

Modalidad Presencial