Analysis of the sustainable production of hydrogen as an energy vector in Colombia
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Trabajo de grado - Maestría
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2023Abstract
The first step towards the energy transition that promotes a carbon-neutral society is the implementation of renewable energy sources, accompanied by the development of new energy carriers with lower pollution rates and higher energy efficiencies. Based on this, the energy transition requires several efforts in the processes of transformation, generation, and consumption of energy. Therefore, discovering new alternative energy resources and systems has become a priority, and multiple governments and major industries, such as the IEA, have already recognized the role of hydrogen in this task. However, given the diversity of pathways for converting raw materials into energy products, it is only possible to formulate sound decisions with preliminary conceptual design and multi-criteria evaluation. To date, the transformation pathways for hydrogen production have focused on petrochemical and thermochemical schemes and have been analyzed as single processes, discounting the relevance of other production schemes such as electrolytic and biological processes. In addition, there are no rigorous studies that analyze all the production pathways. Therefore, this work begins with a heuristic analysis of technologies and raw materials for hydrogen production. This analysis was based on objective criteria such as environmental impact, economic aspects, and operational and energetic parameters of the process. The main results were that the schemes with the highest level of development, economic and environmental advantages were (i) steam methane reforming, (ii) biomass gasification, (iii) alkaline electrolysis, and (iv) dark fermentation. Then, a heuristic analysis was developed considering the potential of the main agricultural and agro-industrial wastes in obtaining hydrogen, considering the pathways mentioned above. Once the raw materials and technologies with the greatest opportunity for development were established, the schemes were evaluated at the experimental level and scaled up in simulation schemes using Aspen Plus. At the experimental level, it was evaluated (i) anaerobic digestion of cassava stalk to produce biomethane for steam reforming (SBMR), (ii) gasification of corn stover, (iii) alkaline electrolysis, and (iv) dark fermentation using rice straw and the microorganism T. thermosaccharolyticum W16. The experimental schemes did not contemplate the gas separation and purification stage. The experimental results were used to simulate and evaluate the sustainability of the biorefineries. In the separation and purification stages, widely developed technologies such as Pressure Swing Adsorption (PSA) were proposed to obtain hydrogen. Then, a comparative analysis of the sustainability of the main hydrogen production technologies was carried out. For this purpose, techno-energy, economic, environmental, and social indicators were used to calculate a global sustainability index (SId). Steam biomethane reforming (SBMR) and electrolysis with solar power (EL), were the systems with the highest SId regarding techno-energy and environmental dimensions, respectively. Moreover, thermochemical, and biological technologies require further research to decrease the environmental load and improve the mass efficiency of the process. Finally, once it was established that SBMR was the technology with the highest sustainability index, it was evaluated considering a life cycle assessment. For this purpose, the Sucre region and a highly available agricultural residue were considered: the cassava stalks. Cassava is a highly distributed crop in Colombia. Like other crops, cassava generates different usable residues, such as cassava stalk, which can be valued by producing energy carriers that meet the needs of the process. Therefore, this work also included evaluating the environmental impact of the cassava value chain for the Sucre region and analyzed the possibility of including residue processing stages to produce energy carriers of low (biomethane) and high (hydrogen) complexity. As the main results, the influence of the processing stage in the value chain can be highlighted, contributing more than 90% of the impact due to energy demands and waste generated. In addition, when the production of energy carriers was included, biomethane and hydrogen could supply the energy needs of the biorefinery and between 72% and 58% of the energy demand of the transformer stage, respectively. Finally, it was established that the value chain without the valorization of cassava residues produced 1.22 kg CO2 eq/kg cassava. In comparison, when including the valorization stages, the value chain generated 1.20 kg CO2/kg of cassava, where raw materials, especially sludge for anaerobic digestion, presented the greatest contribution to the environmental impact in the biorefineries. Thus, agricultural residues and the production of energy carriers become established as a processing alternative for generating usable energy within the links of the production chain, mitigating, in turn, the overall impact of the value chain. (Texto tomado de la fuente)Resumen
El primer paso hacia la transición energética que promueve una sociedad neutra en carbono es la implementación de fuentes de energía renovables, acompañadas del desarrollo de nuevos vectores energéticos con menores índices de contaminación y mayores eficiencias energéticas. En base a ello, la transición energética requiere numerosos esfuerzos en los procesos de transformación, generación y consumo de energía. Por lo anterior, el descubrimiento de nuevos recursos y sistemas energéticos alternativos se ha convertido en una prioridad y el papel que desempeña el hidrógeno en esta tarea ya ha sido reconocido por múltiples gobiernos y grandes industrias, tales como la IEA. No obstante, dada la multiplicidad de vías de conversión de materias primas en productos energéticos, es imposible formular decisiones sólidas sin un diseño conceptual preliminar y una evaluación multicriterio. Hasta la fecha, las rutas de transformación para la producción de hidrogeno se han centrado en esquemas petroquímicos y termoquímicos, y se han analizado como procesos unitarios, desconociendo la relevancia que presentan otros esquemas de producción como los procesos electrolíticos y biológicos. Adicionalmente, no existen estudios rigurosos que analicen todas las rutas de producción en conjunto. Por lo tanto, este trabajo inicia como el planteamiento de un análisis heurístico aplicado a tecnologías y materias primas para la producción de hidrogeno. Este análisis se basó en criterios objetivos como el impacto ambiental, aspectos económicos y los parámetros operacionales y energéticos del proceso. Como principales resultados se obtuvieron que los esquemas con mayor nivel de desarrollo, ventajas económicas y ambientales fueron el (i) reformado de metano con vapor, (ii) gasificación de la biomasa, (iii) electrolisis alcalina y (iv) fermentación oscura. Luego, se desarrolló un análisis heurístico considerando el potencial que presentaban los principales residuos agrícolas y/o agroindustriales en la obtención de hidrogeno considerando las vías anteriormente mencionadas. Una vez se establecieron las materias primas y las tecnologías con mayor oportunidad de desarrollo, los esquemas fueron evaluados a nivel experimental y escalados en esquemas de simulación utilizando Aspen Plus. A nivel experimental se evaluó (i) la digestión anaerobia del tallo de yuca para la producción de biometano aprovechable en reformado con vapor (SBMR) (ii) la gasificación de la tusa de maíz (iii) la electrólisis alcalina y (iv) la fermentación oscura utilizando paja de arroz y el microorganismo T. thermosaccharolyticum W16. En los esquemas experimentales no se contempló la etapa de separación ni purificación del gas. Los resultados experimentales se utilizaron para simular y evaluar la sostenibilidad de las biorrefinerías y en las etapas de separación y purificación se propusieron tecnologías ampliamente desarrolladas como Adsorción por cambio de presión (PSA) para la obtención del hidrogeno. Luego, se realizó un análisis comparativo de la sostenibilidad de las principales tecnologías de producción de hidrógeno. Para ello, se utilizaron indicadores tecno energéticos, económicos, medioambientales y sociales para calcular un índice de sostenibilidad global (SId). El reformado de biometano con vapor (SBMR) y la electrólisis con energía solar (EL) fueron los sistemas con el SId más alto en función de las dimensiones tecno energética y medioambiental, respectivamente. Por otro lado, las tecnologías termoquímica y biológica requieren más investigación para disminuir la carga medioambiental y mejorar el rendimiento másico del proceso. Finalmente, una vez se estableció que el SBMR fue la tecnología con mayor índice de sostenibilidad, esta tecnología se evaluó considerando un análisis de ciclo de vida. Para ello, se consideró la región de Sucre y un residuo agrícola altamente disponible: el tallo de yuca. La yuca es un cultivo altamente distribuido en Colombia y al igual que otros cultivos, la yuca genera diferentes residuos aprovechables, como el tallo de yuca, que pueden ser valorizados mediante la producción de vectores energéticos que satisfagan las necesidades del proceso. Por lo tanto, este trabajo también incluyó la evaluación del impacto ambiental de la cadena de valor de la yuca para la región de Sucre y analizo la posibilidad de incluir etapas de procesamiento de residuos para producir vectores energéticos de baja (biometano) y alta (hidrógeno) complejidad. Como principales resultados, se puede destacar la influencia de la etapa de transformación en la cadena de valor, aportando más del 90% del impacto ambiental, derivado de la alta demanda de energía y la generación de residuos. Además, cuando se incluyó la producción de vectores energéticos, el biometano y el hidrógeno pudieron abastecer las necesidades energéticas de la biorrefinería y entre el 72% y el 58% de la demanda energética de la etapa de transformación, respectivamente. Por último, se estableció que la cadena de valor sin la valorización de los residuos de yuca produjo 1,22 kg CO2 eq/kg de yuca. En comparación, con la cadena de valor que incluyo las etapas de valorización, la cadena de valor generó 1,20 kg CO2/kg de yuca, donde las materias primas, especialmente los lodos para digestión anaeróbica presentaron la mayor contribución al impacto ambiental en las biorrefinerías. De esta forma, se puede concluir que los residuos agrícolas y la producción de vectores energéticos se establecen como una alternativa de procesamiento para la generación de energía aprovechable dentro de los eslabones de la cadena productiva, mitigando, a su vez, el impacto global de la cadena de valor.Palabras clave
Descripción Física/Lógica/Digital
graficas, tablas
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