Modelación y simulación del proceso de producción de hidrógeno a partir de biomasa: análisis energético y estudio comparativo entre tecnologías

Abstract

En el escenario de la transición energética, el hidrógeno se ha posicionado como un vector energético estratégico, debido a su alta densidad energética y a la ausencia de emisiones de GEI en su combustión. Bajo esta premisa, este trabajo aborda la modelación y simulación, en Aspen Plus, de un proceso de producción de hidrógeno a partir de biomasa, a través de un acople de digestión anaerobia y reformado de biogás con vapor. Se evaluaron tres configuraciones. La Simulación 1 corresponde al caso base, sin integración energética ni optimización, el cual presentó una producción de hidrógeno de 2352 [mol/h], una eficiencia energética de 75,1 % y un consumo energético total de 465,9 [kW], del cual un 64,16 % tiene potencial de ahorro. A partir de esto surge la Simulación 2 para integrar energéticamente el sistema, reduciendo el consumo total de energía en un 50 % y disminuyendo los costos de energía de 47120 a 27820 [$USD/año]. A partir de los resultados favorables de los análisis de sensibilidad para la producción de hidrógeno según la temperatura, presión y razón S-C del reformado, se decidió realizar una Simulación 3, donde las nuevas variables T = 1040 [K], P = 1 [atm] y S/C = 2,6 permitieron incrementar el caudal de producto en un 28,5 %, llegando a un punto óptimo de 2991 [mol/h]. En consecuencia, aumentó significativamente la eficiencia energética a un 97,8 %, a costa de un incremento del consumo y costo energético de 21,3 % y 34,7 %, respectivamente. Por último, se comparó el sistema propuesto con otras tecnologías de producción de hidrógeno, tales como reformado de metano con vapor tradicional, pirólisis, gasificación y licuefacción hidrotermal, bajo criterios de operación, rendimiento, requerimiento de materias primas y emisiones de gases de efecto invernadero, determinando que el proceso simulado presentó la más eficiencia energética y un consumo de agua moderado. No obstante, también se observó que el proceso, falto de catalizadores, posee un rendimiento de producción de hidrógeno inferior al de pirólisis y gasificación, además de emisiones de CO₂ similares a un reformado de metano con vapor sin captura, uso y almacenamiento de carbono (CCUS). Se concluye que el sistema propuesto es un mecanismo de producción de hidrógeno energéticamente competitiva, pero que su proyección industrial requiere de CCUS, modelos cinéticos para el reformado de biogás y un análisis técnico-económico.