Evaluación del acoplamiento de energía térmica solar para la producción de biodiesel a partir de aceite vegetal residual [recurso electrónico] / José Ángel León Valdez ; directora, Gisela Montero Alpírez, codirector, Marcos Alberto Coronado Ortega.

Maestría y Doctorado en Ciencias e Ingeniería.

Tesis (Doctorado) - Universidad Autónoma de Baja California Instituto de Ingeniería, Mexicali, 2017.

Incluye referencias bibliográficas.

La investigación en el desarrollo de energías limpias ha tomado gran importancia en los últimos años debido a la problemática de cambio climático global ocasionado en gran manera por la quema de combustibles fósiles. Es por ello que el uso del biodiesel, un biocombustible renovable con menor impacto ambiental que el diésel, continúa en expansión a nivel internacional. El proceso de producción de este biocombustible se lleva a cabo por diferentes métodos, en donde las principales vías son catalíticas, alcalina y ácida. Entre las no catalíticas destaca la producción de biodiésel en condiciones supercríticas. Cada vía de reacción para la producción de biodiésel implica diversas consideraciones, las cuales afectan el diseño del proceso. La materia prima utilizada es uno de los factores preponderantes en el costo final del proceso y es donde los aceites vegetales residuales proveen de una gran ventaja. Independientemente del método utilizado para obtener biodiésel, las investigaciones en el escalamiento a nivel industrial de dichos procesos presentan todavía áreas de oportunidad. La demanda energética de estos procesos es importante, en la que destaca la etapa de recuperación de metanol a través de flash de separación o columnas de destilación. Comúnmente, dicha energía es suministrada por medio de electricidad o vapor a alta temperatura, los cuales son producidos generalmente a partir de combustibles fósiles. Esto representa una oportunidad para la aplicación de energías renovables. La energía solar puede ser aprovechada para diversos fines, desde el calentamiento de agua para uso doméstico hasta la generación de electricidad. El aprovechamiento de este tipo de energía en procesos industriales no ha sido una excepción. Mexicali, Baja California; ciudad al norte de México, presenta buenos indicadores de viabilidad de explotación de energía solar a nivel industrial. Por lo que el presente trabajo tuvo como objetivo evaluar el impacto económico y ambiental de la producción de biodiésel a partir de aceite vegetal residual (AVR), por diferentes medios catalíticos y no catalíticos, con energía solar como fuente principal de energía. Se utilizó el software ASPEN PLUS® para simular los diferentes procesos de producción de biodiesel, así como determinar las cargas energéticas requeridas por dichos procesos. Para el acoplamiento de energía solar al proceso, se utilizó el software TRNSYS®, el cual permitió evaluar diversos arreglos de colectores solares bajo las condiciones climáticas y de irradiación solar de Mexicali, Baja California. El análisis de impacto ambiental se realizó a partir del algoritmo de reducción de residuos (WAR por sus siglas en inglés), el cual es promovido por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (EPA por sus siglas en inglés). El objetivo de WAR es reducir los impactos ambientales y los relacionados con la salud humana en la fase de diseño, tomando en cuenta las materias primas utilizadas, los productos y residuos generados, así como la energía consumida por el proceso y su fuente de origen. Por último, se realizó un análisis económico de los tres procesos de producción de biodiésel simulados y se consideró la utilización de colectores solares para el suministro de energía a dichos procesos. El análisis económico consistió en evaluar la construcción del proceso de producción de biodiésel y el sistema de almacenamiento de energía térmica solar, con las especificaciones obtenidas a partir de las simulaciones realizadas. Para el análisis fueron considerados los costos de instalación, operación y mantenimiento del proceso, así como los ingresos y egresos generados del mismo. El estudio económico se proyectó para un periodo de 5 años de operación, en los cuales se consideró una inflación del 5.5% promedio anual y valor de recuperación al término de los 5 años de cero. Independientemente de las necesidades energéticas de cada proceso, todos se ven beneficiados por el uso de los sistemas de captación de energía solar. Se obtuvieron diferentes arreglos de colectores para cada proceso. Para el proceso por la vía alcalina se determinó un arreglo de 4 colectores en serie y 8 en paralelo, para el proceso por la vía ácida 5 en serie y 7 en paralelo, y el proceso en condiciones supercríticas 6 en serie y 13 en paralelo. Las simulaciones realizadas en TRNSYS® mostraron que, para los procesos por la vía alcalina y ácida, es factible suministrar cerca del 99% de la energía requerida por el proceso a través de energía térmica solar. Mientras que para el proceso en condiciones supercríticas sólo es posible proporcionar el 69.49% de la energía con el sistema de colectores solares. El resto de la energía requerida por cada proceso en la simulación de la producción de biodiésel, fue suministrada por una fuente de energía auxiliar. Dichos resultados reflejan que Mexicali Baja California cuentan con las condiciones climáticas favorables para la explotación del recurso solar. El uso de energía solar como fuente energía primaria tuvo un efecto notablemente positivo en el impacto ambiental de dichos procesos. De acuerdo con el análisis de impacto ambiental realizado a cada proceso, el mayor impacto es generado por la emisión de compuestos orgánicos volátiles. En los procesos de producción de biodiésel esto es debido al uso de metanol como reactivo necesario para la reacción. Los procesos por la vía alcalina y ácida son los mayores aportadores a este impacto. El proceso en condiciones supercríticas tiene su mayor impacto ambiental en el potencial de acidificación del aire, lo cual genera lluvia ácida. Esto se debe al alto consumo de energía requerida por el proceso. Los procesos de producción de biodiésel se ven altamente beneficiados al utilizar AVR como materia prima, no sólo ambientalmente, sino también económicamente debido a su bajo costo. El costo final de producción resultó menor para el proceso por la vía alcalina, con $14.19 M.N. por litro producido. Los procesos restantes, proceso ácido y en condiciones supercríticas, tuvieron un mayor costo de producción de $15.40 y $14.40 M.N., respectivamente. Los precios actuales del diésel, permiten que los costos de producción del biodiésel puedan ser competitivos si se mantiene un nivel de producción elevado. Por medio de una evaluación a 5 años de operación, el proceso de producción de biodiésel por la vía alcalina resultó ser más rentable que los otros dos procesos estudiados. El proceso alcalino obtuvo beneficios económicos a partir del tercer año de operación con una tasa interna anual de retorno del 36.4%. El proceso por la vía ácida tuvo la menor TIR anual, con 28.1%. En tanto el proceso en condiciones supercríticas una TIR anual de 30.3%. En general, los tres procesos presentan un moderado beneficio económico, lo cual debe ser tomado en cuenta al momento de invertir en dichos proyectos. La integración e implementación de diversas tecnologías limpias es importante para el desarrollo y auge de los biocombustibles, así como el desarrollo sustentable.