Estudio tecno-económico y análisis de ciclo de vida de la producción de biobutadieno a partir de bioetanol

Abstract

En esta tesis se ha investigado la economía y la sostenibilidad ambiental de la producción de 1,3-butadieno (1,3-BD) a partir de bioetanol, tanto en uno como en dos pasos de reacción, y comparado con el proceso actual de producción de 1,3-BD, basado en el craqueo catalítico de nafta. Para ello se partieron de datos de reacción, obtenidos en el marco del proyecto BIODIENE donde se desarrolla esta tesis, de catalizadores de uno y dos pasos operando en condiciones industriales, es decir, teniendo en cuenta la presencia de agua y otros coproductos en el etanol alimentado al reactor. A partir de estos datos de reacción se realizó el diseño conceptual de los procesos de uno y dos pasos, apoyándose en reglas heurísticas y considerando diferentes opciones de tecnologías de separación, dando lugar a los diagramas de flujo de los procesos. Estos procesos se modelaron, simularon y optimizaron energéticamente con el programa Aspen Plus V8.8, con el fin de obtener los balances de materia y energía, necesarios para la evaluación económica y de sostenibilidad ambiental. Con el objetivo de determinar la influencia de la selectividad catalítica a 1,3-BD en el estudio, se definieron dos escenarios por cada tipo de proceso, en uno usando los datos experimentales de reacción del proyecto BIODIENE y en el otro usando datos de reacción de los catalizadores más selectivos encontrados en literatura. Para la sostenibilidad económica de los cuatro escenarios se realizaron análisis de flujo de caja para determinar el precio mínimo de venta de 1,3-BD, con el fin de recuperar la inversión con la rentabilidad deseada, comparándose con el precio de mercado del 1,3-BD. Finalmente, se realizó el análisis de ciclo de vida de los escenarios de estudio, definiéndose tres casos por cada escenario con el objetivo de determinar la influencia de la localización geográfica de la planta, considerando los tres principales proveedores mundiales de etanol en la actualidad: Estados Unidos, Brasil y Europa. La combinación de los resultados económicos y de impacto ambiental permitió establecer los casos de estudio más prometedores para la producción de 1,3-BD. Los resultados de la evaluación económica sugieren que la producción de 1,3-BD a partir de etanol sólo es rentable cuándo los precios de mercado de etanol y 1,3-BD son favorables, debido fundamentalmente a que el precio del etanol es el factor dominante en los costes de producción. La viabilidad económica de los procesos de uno y dos pasos mejora cuanto más selectivo sea el catalizador, pues esto reduce el consumo de etanol por kg de 1,3.BD. El análisis de ciclo de vida muestra que, en comparación con la producción de 1,3-BD a partir de nafta, la producción a partir de bioetanol lleva a reducciones significativas de emisiones de gases de efecto invernadero y demanda de energía fósil, pero ocasiona un aumento considerable en otros factores de impacto ambiental como el consumo de agua y la demanda de energía renovable. Ya que el etanol es el principal contribuyente en todas las categorías de impacto, la selectividad del catalizador y la ubicación geográfica de la planta afectan significativamente la sostenibilidad ambiental del proceso. Considerando los resultados de las categorías de impacto estudiadas, la mejor ubicación sería Europa, con los menores valores en potencial de calentamiento global y consumo de agua, y la segunda menor en la categoría de demanda total de energía. Adicionalmente, se estudió la variabilidad en el cálculo de los impactos ambientales en base a la incertidumbre existente en las cargas ambientales asociadas al etanol, mediante el uso de factores de impacto del etanol tomados literatura. Se observó que la mejor localización de la planta cambiaba a Brasil, con los menores valores promedios en potencial de calentamiento global y consumo de agua.