Application of Thermoeconomics to Assess and Improve the Efficiency of Bioenergy Production Plants and Land-To-Tank Cycles

Font de Mora Rullán, Emilio
Valero Capilla, Antonio (dir.) ; Torres Cuadra, César (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2013

Resumen: La humanidad se encuentra en una doble encrucijada energética y climática. Ambos aspectos están íntimamente relacionados con el consumo de petróleo. Para solucionar el problema diferentes países están implementando políticas de reducción del consumo de combustibles fósiles, entre ellas la producción y consumo de energías renovables. El problema se ve acentuado en el sector del transporte, dependiente de los combustibles fósiles en mayor medida. El transporte depende del petróleo aproximadamente en un 98% en la Unión Europea y es el único sector económico cuyas previsiones estiman un continuo incremento en las emisiones de gas de efecto invernadero. La bioenergía es la fuente de energía renovable más utilizada en la actualidad y su relevancia en el futuro se prevé aún mayor. La bioenergía actualmente constituye más de dos tercios de la energía renovable de la Unión Europea y se espera que en 2020 acapare el 50% del consumo renovable y alrededor del 11% del consumo total de energía de los Estados miembros. Sin embargo, a diferencia de otras fuentes de energía, generar ahorros netos de gases de efecto invernadero con la bioenergía depende del proceso de producción. Procesos ineficientes pueden producir más gases de efecto invernadero que el combustible fósil que pretenden sustituir. La eficiencia en los procesos de producción, tanto a nivel de planta como en el ciclo de vida, necesita ser optimizada para reducir las emisiones al máximo. El biodiesel, sustituto natural del diesel fósil, es uno de los combustibles alternativos para el transporte más importantes, especialmente en Europa. No obstante, procesos ineficientes pueden conllevar el consumo de grandes cantidades de combustibles fósiles y emisiones elevadas de gases de efecto invernadero. Este puede ser el caso, especialmente, del biodiesel producido a partir de cultivos energéticos. Asegurar la sostenibilidad de los biocarburantes es un requisito obligatorio para los Estados miembros de la UE. La Directiva europea de energías renovables centra la sostenibilidad en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y en la protección de la biodiversidad y las tierras de alto stock en carbono. Una enmienda a la Directiva propuesta por la Comisión Europea plantea incrementar el nivel obligatorio de reducción de emisiones al 60% comparado con los combustibles fósiles. Si esta enmienda se aprueba, el biodiesel de ciertos cultivos energéticos podría verse excluido en la UE si los procesos de producción no mejoran, tal como refleja la evaluación de impacto realizada por la Comisión Europea. Por otra parte, el marco legislativo actual no tiene en cuenta el consumo de recursos no renovables. La presente tesis doctoral presenta una metodología basada en la termoeconomía para analizar posibles mejoras adicionales a introducir en los procesos de producción, para mantener el sector del biodiesel en Europa. El análisis input-output termoeconómico integra el segundo principio de la termodinámica con el análisis input-output económico, así como el análisis de flujos de materia y de ciclo de vida para proporcionar un procedimiento de evaluación riguroso enfocado en el ahorro energético, la sostenibilidad y la renovabilidad de procesos bioenergéticos. Mediante el uso de exergía como medida cuantitativa y cualitativa, este procedimiento constituye una herramienta útil para analizar en detalle los procesos de producción, identificar ineficiencias y proponer soluciones tales como la integración de procesos, la sustitución de materiales, la mejora de la eficiencia de componentes y la recirculación de flujos. Esta tesis doctoral aplica dicha metodología a una planta de transesterificacion de biodiesel y al ciclo de vida del biodiesel producido a partir de colza, girasol, palma, soja y aceites usados. En la tesis doctoral se definen tres conceptos: el ratio de renovabilidad, que mide la proporción de exergía renovable usada en el proceso con respecto al consumo de exergía total; la tasa de retorno exergético (Exergy return on investment, ExROI) que evalúa la cantidad de exergía contenida en el biodiesel por unidad de recursos no renovables consumidos, y el factor exergoecológico, que mide el ratio entre el coste exergético directo y el coste exergoecológico y permite evaluar la capacidad de mejora de los procesos directos en los ciclos de producción. Además, se presenta una metodología de análisis de sensibilidad para permitir comprender el efecto en los resultados de la introducción de cambios en el proceso. Esta tesis doctoral muestra que el ciclo de vida del biodiesel puede ser mejorado mediante la introducción de cambios en el proceso, de forma que se obtienen valores de ExROI de alrededor del 25 y ratios de renovabilidad de cerca del 98%, es decir, por cada unidad de exergía no renovable consumida en el proceso se obtienen 25 unidades de biodiesel y tan sólo un 2% de los costes exergéticos son de origen no renovable. Con esto, el biodiesel puede ser cinco veces más sostenible que el diésel fósil, desde el punto de vista del consumo de recursos no renovables. La tesis también demuestra que con la aplicación de dichas medidas, el biodiesel puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero más allá del límite del 60% propuesto en la enmienda de la Directiva y que puede incluso reducir las emisiones por encima del 100% comparado con el diésel fósil. Todo ello con beneficios socio-económicos y reducción de cambios directos en el uso de tierras. Aunque la metodología propuesta no sirve para evaluar otros impactos potenciales de la bioenergía, tales como los cambios indirectos en el uso de tierras, la disponibilidad de alimentos para consumo humano y el impacto en el uso de tierras arables, estos aspectos son también analizados, intentando aportar una visión ecuánime en estos temas tan controvertidos.

Pal. clave: fuentes no convencionales de energía ; procesos industriales ; cambio climático ; termodinámica

Área de conocimiento: Ingeniería mecánica

Departamento: Ingeniería Mecánica

Nota: Presentado: 10 12 2013

Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Mecánica, 2013