Estudio técnico-económico y análisis de ciclo de vida de la producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica por la vía termoquímica

El control del consumo energético y la utilización de energía procedente de fuentes renovables son aspectos prioritarios para la Comunidad Europea, como refleja la Directiva Europea sobre Energía Renovables 2009/28/CE aprobada en el año 2009. Dentro de las medidas presentadas en dicha normativa para mejorar la eficiencia y aumentar el ahorro energético, cobra especial importancia el uso de las energías renovables en el transporte, fijándose como objetivo a 2020 que el 10% del combustible consumido en Europa en dicho sector proceda de los biocombustibles o de otros combustibles renovables. En el año 2013, el consumo de biocombustibles a nivel mundial alcanzó los 116,5 miles de millones de litros, de los cuales el bioetanol fue el más demandado (75%), seguido del biodiésel (23%). El bioetanol se mezcla con gasolina o se transforma en aditivos para la misma, mientras que el biodiésel es mezclado con diésel de origen fósil, ambos para ser empleados en motores de combustión interna. El bioetanol se puede generar por dos rutas principalmente. La primera es la ruta bioquímica basada en la hidrólisis y fermentación de la materia prima de partida, que puede ser cultivos de azúcar y almidón, biomasa lignocelulósica o residuos sólidos urbanos. La segunda ruta es la termoquímica y consiste en la gasificación de biomasa lignocelulósica o de residuos sólidos urbanos para generar un gas de síntesis que posteriormente es convertido mediante síntesis catalítica en bioetanol. La conversión catalítica de gas de síntesis a etanol puede realizarse en un paso (rutas directas) o en varios pasos (rutas indirectas). También existe otra opción para la producción de etanol que sería la combinación de las dos rutas indicadas anteriormente, en primer lugar la biomasa es convertida termoquímicamente a gas de síntesis y en segundo lugar, este gas de síntesis es fermentado a etanol mediante procesos bioquímicos. La mayor parte de la producción de bioetanol a nivel mundial es de primera generación, es decir, empleando como materia prima cultivos alimenticios como la caña de azúcar o el maíz. Sin embargo, estos biocombustibles vienen creando desde años una gran polémica entre organizaciones no gubernamentales y asociaciones de agricultores, por el efecto en el precio de las materias primas. Este problema no existe con el bioetanol de segunda generación, ya que se fabrica a partir de materia prima que puede ser transformada en celulosa como, por ejemplo, desechos de cultivos de maíz, paja o biomasa lignocelulósica. Aunque su número es más limitado, actualmente existen plantas produciendo etanol de segunda generación por la ruta bioquímica, pero no existe ninguna por la ruta termoquímica. En el presente trabajo se proponen diferentes configuraciones de planta para la producción de etanol termoquímico a partir de biomasa lignocelulósica mediante síntesis directa. En cuanto a la síntesis de etanol, existen catalizadores homogéneos y heterogéneos. Los primeros son caros y operan en condiciones muy extremas y los segundos tienen producciones y selectividades bajas. En esta tesis se han seleccionado tres catalizadores heterogéneos de síntesis de directa de etanol, un catalizador de rodio desarrollado por Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) y dos catalizadores de sulfuro de molibdeno, uno desarrollado por Dow Chemical y el otro por Abengoa Bioenergía Nuevas Tecnologías (ABNT). Además, se ha optado por comparar dos tecnologías de gasificación, un gasificador de lecho de arrastre operando a elevada presión (EF) y otro gasificador de doble lecho fluido indirecto operando a presión atmosférica (iCFB). A su vez, para el gasificador iCFB se han identificado dos opciones de eliminación de alquitranes (absorción mediante solvente orgánico y reformador de alquitranes o TR) y cuatro opciones de reformado de hidrocarburos ligeros (reformado autotérmico‐ATR, oxidación parcial‐POX, reformado con vapor‐SMR y reformado de alquitranes‐TR). Para el gasificador EF las opciones de reformado seleccionadas han sido dos, reformado autotérmico y oxidación parcial. Las configuraciones que se obtienen como resultado de dicha selección de catalizadores y tecnologías de gasificación, limpieza y acondicionamiento del gas, han sido simuladas mediante el simulador de procesos Aspen Plus. En todas se ha considerado la misma escala de planta, 500 MWth basados en el poder calorífico superior de la madera de chopo que se emplea como alimentación. Además, la planta se ha diseñado con el criterio de autosuficiencia energética, es decir, sin importación de energía fósil. Los balances de materia y energía obtenidos han permitido calcular las eficiencias a productos y evaluar económicamente cada configuración, calculando el precio mínimo de venta de etanol o PMVE, definido como el precio de venta de etanol que permite recuperar la inversión realizada en la planta con una rentabilidad del 10% en el plazo de amortización de 20 años. Los resultados obtenidos indican que los procesos basados en catalizadores de rodio no son competitivos con respecto a los basados en catalizadores de sulfuro de molibdeno, debido al elevado precio del metal de rodio. Al considerar cualquiera de las configuraciones de proceso propuestas para los catalizadores de sulfuro de molibdeno, se obtienen menores PMVE para el catalizador desarrollado por ABNT que para el desarrollado por Dow Chemical. Al comparar todas los configuraciones evaluadas, el PMVE obtenido oscila entre 0,75 – 1,25 $/L etanol. La configuración con la que se obtiene menor precio de venta es la opción del gasificador de doble lecho con oxidación parcial y catalizador de S2Mo desarrollado por ABNT, y la de mayor precio corresponde al gasificador de lecho de arrastre con reformador autotérmico y catalizador de rodio. Sin embargo, si se consideran mejoras a largo plazo en aspectos críticos de la planta (mejora del catalizador de síntesis de S2Mo, sistema de alimentación a presión para gasificador de lecho de arrastre y mayor capacidad de procesamiento para los gasificadores de doble lecho), el rango de precios de venta de etanol se reduce considerablemente (0,59 – 0,65 $/L etanol). Bajo estas consideraciones a largo plazo, las configuraciones con gasificadores de lecho de arrastre serían competitivas con las del gasificador de doble lecho. Por último, se ha realizado el análisis de ciclo de vida de las diferentes configuraciones, para determinar las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al sistema de producción de etanol, y así poder comprobar que se cumple la reducción mínima de emisiones de estos gases impuesta por la Directiva 2009/28/CE, para que un biocombustible o biolíquido sea certificado como tal. Dicha reducción mínima de emisiones es del 60% a partir del 1 de enero de 2018. Al evaluar las distintas configuraciones de proceso, todas alcanzan una reducción de emisiones superior al 90%, comparado con las emisiones asociadas al combustible de referencia (gasolina), determinado por la Directiva Europea. Por lo tanto, el etanol producido puede ser certificado como biocombustible. Este exceso de reducción de emisiones sobre el mínimo impuesto por la normativa permite plantear dos escenarios adicionales: (1) importar energía fósil en forma de gas natural y electricidad, manteniendo la escala de la planta hasta alcanzar el mínimo del 60% de reducción de emisiones impuesto por la normativa; (2) vender el exceso de reducción de emisiones en el mercado europeo de CO2. Este segundo escenario es hipotético ya que en la actualidad las plantas de producción de bioetanol no están incluidas dentro de dicho mercado. Para las configuraciones evaluadas, los resultados muestran que la producción de etanol se incrementa significativamente cuando se reemplaza parte de la biomasa con gas natural. Sin embargo, la ventaja económica de dicho escenario depende de los precios de la biomasa y del gas natural. Este escenario se ha evaluado mediante diferentes análisis de sensibilidad teniendo en cuenta la evolución histórica de los precios. Se llega a la conclusión de que la venta de derechos de emisión no es competitiva con respecto a la importación de gas natural, siempre que los precios de CO2 en el mercado europeo se mantengan en valores similares a los de los últimos años. Sería necesario que el mayor precio alcanzado para el CO2 se duplicara, o incluso se cuadruplicara en los casos más desfavorables, para que este escenario fuese una opción competitiva. No obstante, independientemente de los precios de la biomasa, del gas natural y del CO2, la opción que resulta más rentable para la producción de etanol es la configuración con gasificador de doble lecho y reformado con oxidación parcial, tanto para el escenario autosuficiente como para el escenario de importación de gas natural.