Simulación y análisis tecno-económico de diferentes propuestas de descarbonización de la industria del vidrio

Barón Vidán, Cristian
Peña Pellicer, María Begoña (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2025
Departamento de Ingeniería Mecánica, Área de Máquinas y Motores Térmicos

Máster Universitario en Energías Renovables y Eficiencia Energética

Resumen: Para poder limitar el aumento de la temperatura media global a 1.5 ºC respecto a niveles pre-industriales, es necesario el desarrollo de tecnologías para descarbonizar las industrias intensivas en energía que involucran procesos a alta temperatura. La energía requerida para estos procesos procede principalmente de combustibles fósiles tales como el carbón o el gas natural, asociando a estas industrias con altas emisiones de CO2. Una de estas industrias es la industria del vidrio. Los principales subsectores (envases y vidrio plano) son responsables del 80% de la producción de vidrio tanto a nivel global como en Europa, emitiendo anualmente 81 MtCO2 y 18 MtCO2, respectivamente. El calor requerido para los distintos procesos a alta temperatura en la producción del vidrio (fusión y refinado, y recocido) lo proporciona normalmente la combustión de gas natural. En particular, el 75% de la industria global del envase utiliza hornos cuyo uso se basa en los combustibles fósiles. Un esfuerzo para descarbonizar esta ruta tendrá un efecto directo en la reducción de emisiones de CO2, ayudando a cumplir los objetivos marcados en el Tratado de París. Con esta motivación se plantea este trabajo. En este trabajo se modelan varias integraciones de bajas emisiones basadas en el Power-to-Methane, considerando diferentes tecnologías de captura: (i) Calcium Looping (CaL), (ii) lavado con aminas, (iii) oxicombustión con atmósfera O2-CO2 y (iv) oxicombustión con 100% O2. Las dos primeras integraciones (Casos 1 y 2) consideran un horno estándar con aire como comburente, alimentado con gas natural sintético (GNS). El GNS se produce a partir de la metanación del CO2 capturado en la propia industria con H2 electrolítico. Adicionalmente, en el primer caso, el sorbente purgado en la planta de CaL en forma de CaO sustituye la materia prima (caliza) de la producción del vidrio. También se incluye una planta de potencia de turbina de vapor, alimentada con el calor residual de la planta de captura y del reactor de metanación, reduciendo el consumo eléctrico neto. Los dos últimos casos (Casos 3 y 4) consideran hornos de fusión de oxicombustión. Mientras que en la cuarta integración el comburente es oxígeno puro, en el tercer concepto el horno de fusión y refinado opera con un ratio de O2:CO2 de 21:79 gracias a la recirculación de parte del gas de combustión, manteniendo condiciones similares a las del proceso convencional. Estos conceptos se comparan desde un punto de vista tecno-económico. En la parte técnica se analizan, entre otras cosas, las reducciones de emisiones de CO2 y de consumo de gas natural fósil, o la penalización energética. En el estudio económico se comparan los costes específicos de reducción de CO2 (€/tCO2) y de implementación (€/tvidrio) bajo tres escenarios distintos: compra de electricidad, autoconsumo mediante una planta fotovoltaica o autoconsumo mediante un parque eólico. Asimismo, se analiza la dependencia con parámetros que presentan incertidumbre en el medio plazo, como el precio de los derechos de emisión, de la electricidad o del gas natural. El ahorro en el consumo de gas natural fósil es del 95% en todos los casos, ya que se dimensiona la planta de metanación para cubrir las necesidades energéticas del horno principal. Sin embargo, la reducción de emisiones del CO2 depende del sistema de captura: alcanza el 96% bajo condiciones de oxicombustión, mientras que se consigue un 77% en el Caso 1 y un 79% en el Caso 2. En todos los casos, los costes principales están asociados a la producción de hidrógeno electrolítico. Por ello, la viabilidad económica depende fuertemente del origen de la electricidad, siendo más rentable el autoconsumo. Los escenarios basados en producción fotovoltaica presentan los menores costes específicos, gracias a una menor inversión en comparación con la producción eólica, compensando un menor factor de capacidad. Del estudio realizado, se concluye que el Caso 4 con generación fotovoltaica es el mejor caso de entre los analizados desde los puntos de vista técnico y económico.

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Master