Evaluación de la viabilidad de tecnologías de adsorción por captura directa de CO₂ para la industria chilena

Abstract

Esta memoria evalúa la viabilidad técnica y económica de un sistema de Captura Directa del Aire (DAC) basado en el ciclo de Adsorción por Oscilación de Vacío y Temperatura (VTSA) con sorbente amínico funcionalizado, mediante simulación dinámica del proceso. Se desarrolló un modelo dinámico unidimensional con balances acoplados de masa y energía, isotermas de equilibrio CO₂/H₂O y las ocho etapas del ciclo VTSA, validado mediante balance de masa. La simulación reproduce la propagación de la zona de transferencia de masa, la convergencia al estado estacionario en el segundo ciclo y la respuesta paramétrica coherente con la química del sorbente amínico. Los resultados operacionales muestran una capacidad cíclica estacionaria de 0,880 mmol/g, factor de utilización del 74% y tiempo de ciclo de 384 minutos. La operación continua requiere 3 lechos en paralelo con desfase de 82 minutos. La humedad relativa es la variable de mayor impacto (35% de variación), con máximo a 60% HR por favorecimiento del mecanismo de bicarbonato. La condición de máxima capacidad no coincide con la de mínimo costo energético de regeneración. La evaluación económica se realiza para una planta piloto mediana de ~10 tCO₂/día, escala derivada directamente de los resultados de simulación (66 columnas, 3 grupos × 22, desfase 82 min). El CAPEX asciende a USD 8,1 M y el costo de captura a USD 312/tCO₂. El precio de equilibrio financiero de USD 426/tCO₂ se ubica dentro del rango del mercado voluntario actual (USD 400–1.000/tCO₂), viable a precios de mercado superiores a USD 426/tCO₂. La escala de producción es la variable más determinante del punto de equilibrio: 96 columnas reducen el precio de equilibrio a USD 383/t.

This thesis evaluates the technical and economic feasibility of a Direct Air Capture (DAC) system based on the Vacuum Temperature Swing Adsorption (VTSA) cycle using an amine-functionalized cellulose nanofiber sorbent, through dynamic process simulation. A one-dimensional dynamic model with coupled mass and energy balances, multicomponent CO₂/H₂O equilibrium isotherms (Toth and GAB), and all eight VTSA cycle stages was developed and validated through mass balance analysis with residuals below 2%. Simulation results show a cyclic capacity of 0.880 mmol/g at steady state, a sorbent utilization factor of 74%, and a total cycle time of 384 minutes. Continuous operation requires 3 parallel beds with an 82-minute phase offset. Parametric analysis identifies relative humidity as the most critical variable (35% capacity variation), with a maximum at 60% RH consistent with the bicarbonate formation mechanism of amine sorbents. The condition of maximum capture capacity does not coincide with minimum regeneration energy cost. Economic assessment is performed for a medium pilot plant of ~10 tCO₂/day, a scale derived directly from simulation results (66 columns, 3 groups × 22, 82-min offset). CAPEX totals USD 8.1 M and the capture cost is USD 312/tCO₂. The financial break-even price of USD 426/tCO₂ falls within the current voluntary carbon market range (USD 400–1,000/tCO₂), confirming economic viability at this scale. Production scale is the most sensitive variable: 96 columns reduce the break-even to USD 383/tCO₂.