COMPARATIVA TÉCNICA, ENERGÉTICA Y ECONÓMICA DE PRODUCCIÓN DE CARRIERS DE HIDRÓGENO: AMONIACO, METANOL Y DIMETILETER

Abstract

En la búsqueda de sistemas de almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables, una posibilidad prometedora es hacerlo mediante sustancias químicas como portadores de hidrógeno. De los portadores de hidrógeno existentes, en este Trabajo Fin de Grado, se estudian el amoniaco, metanol y dimetil éter (DME), que destacan por tener una red de transporte consolidada. El amoniaco tiene una menor temperatura de autoignición lo que lo hace más seguro, pero se transporta a elevadas presiones. El DME tiene un mayor contenido gravimétrico de hidrógeno y requiere menor energía para extraer el hidrógeno, lo que le confiere una ventaja. Por su parte, el metanol es el que requiere menor energía para extraer el hidrógeno y no es un compuesto tóxico. Por otro lado, se utiliza el gas de síntesis como materia prima de ambas plantas por ser una fuente de energía renovable que permite la reducción de emisiones de CO¿, el aprovechamiento de recursos y su fácil implementación en la industria. El presente documento pretende hacer un estudio energético, técnico y económico de los procesos de producción de amoniaco, metanol y DME como portadores de hidrógeno a partir de gas de síntesis. Para la producción de amoniaco a partir de gas de síntesis, se propone una planta basada en un proceso Haber-Bosch empleando un reactor multitubular de lecho fijo. Dado que la corriente alimento contiene CO y CO2, es necesaria la incorporación previa de un reactor WGS para convertir CO en hidrógeno. El reactor de Haber-Bosch es multitubular de lecho fijo con catalizador basado en hierro (Fe) y operando a 100 bar y 400ºC. Para mantener una conversión mínima por paso del 10-20%, es necesaria la recirculación del gas sin reaccionar. Además, la corriente de salida del reactor se aprovecha para precalentar la entrada al reactor, lo cual reduce el consumo de la planta y favorece la integración energética de esta. Finalmente, la purificación del amoniaco, consistente en un separador flash con una condensación previa a -10 °C y 100 bar, obtiene amoniaco al 99,60% de pureza. La producción de metanol a partir de gas de síntesis requiere una relación H2/CO igual a 2. Al ser la relación de H2/CO igual a 1,25 en la materia prima utilizada, se hizo un estudio para adaptar la corriente, no obstante, dada la complejidad del proceso, el coste de los equipos y que el objetivo principal del trabajo es comparar la producción de los compuestos y no la adaptación del gas de síntesis, se optó por la producción conjunta de DME y metanol por vía directa a partir de gas de síntesis. Se propone un reactor de multitubular de lecho fijo a 40 bar y 260ºC con un catalizador bifuncional CuO¿ZnO¿Al2O3/¿ Al2O3 y una relación H2/CO=1-1,5. Además, la corriente de salida del reactor se aprovecha para precalentar la entrada al reactor, reduciendo el consumo de la planta y favoreciendo la integración energética de esta. Finalmente, para la purificación de metanol y DME se utilizan dos separadores flash, una torre de absorción y 3 columnas de destilación, obteniendo DME y metanol al 99% o superior. Se hace un análisis económico de ambas opciones, siendo el valor de actualización neto (VAN10%) de 76.147.322,84 € y un TIR del 21,03% con una recuperación de 8 años y 1 mes para la planta de amoniaco, frente a un VAN10% de 156.348.612,59 € y un TIR del 75,90% en la planta de producción de DME y metanol, recuperando la inversión en 3 años y 2 meses.