TREBALL FI DE GRAU
G au en Enginye ia Química
SIMULACIÓ D’UN PROCÉS D’OBTENCIÓ DE METANOL PER
ELECTRÒLISI I HIDROGENACIÓ CATALÍTICA DE CO2
Memò ia
Au o : Ma c Be naus Ga nau
Di ec o : Moisès G aells Sob é
Co-Di ec o : A ila Pe e Husa
Con oca ò ia: Gene 2025
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
i
Resum
El següen T eball de Fi d’Es udis (TFE) explo a la iabili a de la p oducció de me anol e d mi jançan
la alo i zació de diòxid de ca boni (CO2) i l’ús de l’hid ogen e d com a ma è ies p ime es. L’objec iu
p incipal és anali za de mane a holís ica aques p océs com una solució sos enible pe con ibui a la
desca boni zació de la indús ia química, donan espos a a la necessi a de edui les emissions de
gasos d’e ec e hi e nacle. La me odologia seguida ha consis i en la e isió de l’es a ac ual de la
indús ia del me anol i de l’hid ogen e d, la ca ac e i zació de les eaccions ca alí iques implicades i la
simulació in eg al del p océs u ili zan el p og ama i ASPEN HYSYS, incloen la gene ació d’hid ogen
mi jançan elec òlisi.
Els esul a s ob ingu s e idencien el po encial d’aques p océs ja que pe me ans o ma CO2 cap u a
en un p oduc e químic de alo a egi , con ibuin així a l’economia ci cula i a la educció d’emissions
con aminan s. L’a aluació ambien al eali zada des aca els a an a ges d’ap o i a on s d’ene gia
eno ables pe alimen a el p océs, e o çan el comp omís amb la ansició ene gè ica.
En conclusió, aques p ojec e p opo ciona un pun de pa ida pe a u u s es udis i pel
desen olupamen de p ocessos indus ials sos enibles, mos an el me anol e d com una al e na i a
iable pe a la desca boni zació de la indús ia.
Memo ia
ii
Resumen
El siguien e T abajo de Fin de Es udios (TFE) explo a la iabilidad de la p oducción de me anol e de
median e la alo ización de dióxido de ca bono (CO2) y el uso del hid ógeno e de como ma e ias
p imas. El obje i o p incipal es analiza de o ma holís ica es e p oceso como una solución sos enible
pa a con ibui a la desca bonización de la indus ia química, dando espues a a la necesidad de educi
las emisiones de gases de e ec o in e nade o. La me odología seguida ha consis ido en la e isión del
es ado ac ual de la indus ia del me anol y del hid ógeno e de, la ca ac e ización de las eacciones
ca alí icas implicadas y la simulación in eg al del p oceso u ilizando el so wa e ASPEN HYSYS,
incluyendo la gene ación de hid ógeno median e elec ólisis.
Los esul ados ob enidos e idencian el po encial de es e p oceso pues o que pe mi e ans o ma CO2
cap u ado en un p oduc o químico de alo añadido, con ibuyendo así a la economía ci cula ya la
educción de emisiones con aminan es. La e aluación ambien al ealizada des aca las en ajas de
ap o echa uen es de ene gía eno ables pa a alimen a el p oceso, e o zando su comp omiso con
la ansición ene gé ica.
En conclusión, es e p oyec o p opo ciona un pun o de pa ida pa a u u os es udios y pa a el desa ollo
de p ocesos indus iales sos enibles, mos ando el me anol e de como al e na i a iable pa a la
desca bonización de la indus ia.
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
iii
Abs ac
The ollowing Final Deg ee P ojec (TFE) explo es he iabili y o g een me hanol p oduc ion h ough
he alo isa ion o ca bon dioxide (CO2) and he use o g een hyd ogen as aw ma e ials. The main
objec i e is o holis ically analyse his p ocess as a sus ainable solu ion o con ibu e o he
deca bonisa ion o he chemical indus y, esponding o he need o educe g eenhouse gas emissions.
The me hodology ollowed has consis ed o e iewing he cu en s a e o he me hanol and g een
hyd ogen indus y, cha ac e ising he ca aly ic eac ions in ol ed and he comp ehensi e simula ion
o he p ocess using he ASPEN HYSYS so wa e, including he gene a ion o hyd ogen h ough
elec olysis.
The esul s ob ained show he po en ial o his p ocess since i allows he ans o ma ion o cap u ed
CO2 in o a alue-added chemical p oduc , hus con ibu ing o he ci cula economy and he educ ion
o pollu ing emissions. The en i onmen al assessmen ca ied ou highligh s he ad an ages o using
enewable ene gy sou ces o powe he p ocess, ein o cing i s commi men o he ene gy ansi ion.
In conclusion, his p ojec p o ides a s a ing poin o u u e s udies and o he de elopmen o
sus ainable indus ial p ocesses, showing g een me hanol as a iable al e na i e o he
deca bonisa ion o he indus y.
Memo ia
i
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
Índex
RESUM ______________________________________________________________ I
RESUMEN __________________________________________________________ II
ABSTRACT __________________________________________________________ III
1. PREFACI _______________________________________________________ 1
1.1. Jus i icació del p ojec e ............................................................................................ 1
2. INTRODUCCIÓ __________________________________________________ 3
2.1. Desca boni zació de l’indus ia................................................................................ 5
2.1.1. Hid ogen e d ......................................................................................................... 5
2.2. Me anol .................................................................................................................... 8
2.2.1. P oducció de me anol ............................................................................................ 9
2.3. Objec ius i abas del eball ................................................................................... 12
3. FONAMENTS ___________________________________________________ 15
3.1. Elec òlisis ............................................................................................................... 15
3.1.1. Tipus d’elec oli zado s ........................................................................................ 16
3.1.2. Ca ac e i zació d’un elec oli zado ..................................................................... 18
3.2. Reaccions del p océs .............................................................................................. 20
3.2.1. P oducció de gas de sín esi .................................................................................. 20
3.2.2. P oducció de me anol .......................................................................................... 22
3.3. Cinè iques ............................................................................................................... 23
3.3.1. Cinè iques de la p oducció de gas de sín esi. ...................................................... 24
3.3.2. Cinè iques de la p oducció de me anol. .............................................................. 25
3.4. Al e na i es ............................................................................................................ 27
4. MODELITZACIÓ DE LA PRODUCCIÓ DE METANOL A PARTIR D’HIDROGEN VERD
_____________________________________________________________ 29
4.1. Simulació ................................................................................................................ 29
4.2. Implemen ació a la simulació ................................................................................ 30
4.2.1. Componen s ......................................................................................................... 30
4.2.2. Reaccions .............................................................................................................. 31
4.2.3. Desc ipció i diag ama de lux ............................................................................... 42
4.3. Elec oli zado ........................................................................................................ 43
4.4. P ime eac o ........................................................................................................ 46
Memo ia
i
4.5. P epa ació del segon eac o ................................................................................ 48
4.6. Sepa ació ................................................................................................................ 52
4.7. Da e a sepa ació .................................................................................................. 55
5. ANÀLISI DE L’IMPACTE AMBIENTAL ________________________________ 58
5.1. Desen olupamen del eball ................................................................................ 58
5.1.1. Ús de l’o denado ................................................................................................. 58
5.2. Implemen ació del eball ..................................................................................... 59
5.2.1. Consum de ma è ies p ime es ............................................................................. 59
5.2.2. Consum d’ene gia ................................................................................................. 59
5.2.3. Resum de les emissions ambien als ..................................................................... 60
5.3. Riscos i limi acions ................................................................................................. 60
6. ANÀLISI ECONÒMIC _____________________________________________ 61
6.1. Desen olupamen del eball de inal d’es udis ................................................... 61
6.2. Execució del p ojec e ............................................................................................. 61
6.2.1. Cos os d’in e sió ................................................................................................... 62
6.2.2. Cos os d’ope ació.................................................................................................. 68
6.2.3. Cos os de ma e ials ............................................................................................... 69
6.2.4. Ing essos................................................................................................................ 69
6.2.5. Balanç econòmic ................................................................................................... 70
6.3. Riscos i limi acions ................................................................................................. 70
7. PUNT DE VISTA SOCIAL __________________________________________ 71
7.1. Desen olupamen del eball de i d’es udis ........................................................ 71
7.2. Execució del p ojec e ............................................................................................. 71
7.3. Riscos i limi acions ................................................................................................. 71
8. CONCLUSIONS _________________________________________________ 72
BIBLIOGRAFIA ______________________________________________________ 73
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
ii
Índex de aules
Taula 1: Ru es de sín esi de me anol. ______________________________________________ 27
Taula 2: Pa àme es cinè ics de les eaccions RWGS (Xu, F omen 1989) ___________________ 31
Taula 3: Pa àme es cinè ics de les eaccions de o mació de syngas. _____________________ 33
Taula 4: Cons an s in e ses de les eaccions de o mació de syngas. ______________________ 33
Taula 5: Resum dels pa àme es de la eacció d’hid ogenació ca alí ica de CO2. _____________ 35
Taula 6: Resum de les cons an s cinè iques del segon se de eaccions. ____________________ 36
Taula 7: Resum de les cons an s cinè iques del segon se de eaccions segons Biso i e al. ____ 36
Taula 8: Ca ac e ís iques del eac o i del ca ali zado . _________________________________ 37
Taula 9: Ca ac e ís iques dels co en s. _____________________________________________ 38
Taula 10: Validació amb l’e o ela iu de les dades. ___________________________________ 39
Taula 11: Pa àme es d’ope ació de l’elec oli zado . __________________________________ 44
Taula 12: Balanços de ma è ia a l’elec oli zado . _____________________________________ 44
Taula 13: Balanços de ma è ia al eac o . ___________________________________________ 47
Taula 14: E olució de les magni uds p essió i empe a u a al lla g del p océs. _______________ 49
Taula 15: Balanç de ma è ia al segon eac o . ________________________________________ 50
Taula 16: Con e sió del CO2. _____________________________________________________ 51
Taula 17: Pa àme es del co en d’en ada a la columna. ______________________________ 52
Taula 18: Pa àme es de disseny de la columna. _____________________________________ 52
Memò ia
4
Figu a 2.1. P edicció del model de Callenda de l’inc emen de empe a u a en unció de la concen ació de
CO2. (Ande son, Hawkins, Jones 2016)
To i que les mesu es de Callenda de CO2 a l’a mos e a no a en se del o co ec es, la igu a supe io
ep esen a l’augmen de la empe a u a en unció del CO2, sen la línia del ze o a l’eix de les o denades
296 ppm, alo mesu a al 1938.
En l’ac uali a la mane a de quan i ica els ni ells de CO2 a l’a mos e a han can ia . S’u ili zen
súpe o denado s i cen ena s de mile s de línies de codi pe al de c ea els anomena s ESM o Ea h
Sys em Models. Aques s es dediquen a anali za les in e accions en e e a, oceans i a mos e a,
di idin la e a en una xa xa de cel·les idimensional, de les qual s’anali za la a iació de luxos de
calo , aigua i diòxid de ca boni.
Figu a 2.2. E olució de la empe a u a en unció de dos RCP di e en s en els p òxims anys. (Ande son, Hawkins,
Jones 2016)
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
5
En la ima ge supe io es poden eu e les ep esen acions de l’e olució de la empe a u a, sen el RCP
(Rep esen a i e Concen a ion Pa hway) de la endència bla a un escena i mol mi iga , amb g an
implemen ació de ene gies eno ables i desús de combus ibles òssils en compa ació amb el e mell,
que ep esen a un escena i amb una lleuge a millo a en l’e iciència ene gè ica.
2.1. Desca boni zació de l’indus ia
La desca boni icació de p ocessos és un pas clau pe edui les emissions de gasos amb e ec e
hi e nacle i a ança cap un model p oduc iu més sos enible. Pe assoli aques objec iu és onamen al
implemen a ecnologies inno ado es que pe me in subs i ui els combus ibles òssils pe on s
d’ene gia més sos enibles, com l’hid ogen e d ob ingu mi jançan p ocessos més espec uosos cap
al medi ambien .
Els simulado s de p ocessos químics adicionals (AspenHYSYS, UniSim, ChemCad, e c.) mai ha ien
ingu en comp e aques es opcions. Responen a aques can i de pa adigma, les da e es e sions de
simulado s de p ocessos químics inco po en co en s elèc ics i models simpli ica s d'elec oli zado s.
L'objec iu d'aques p ojec e és explo a la capaci a d'aques es no es eines pe modela i simula
adequadamen un p océs combina d'elec òlisi pe a la ob enció d'hid ogen i la se a u ili zació en la
hid ogenació ca alí ica de CO2.
El p ojec e a alua à els a an a ges i limi acions d'aques es eines mi jançan la simulació d'un cas
d'es udi acadèmic que con ingui els p incipals elemen s d'in e ès dels p ocessos de educció i
alo i zació de CO2 a pa i d'hid ogen e d.
2.1.1. Hid ogen e d
L’hid ogen és l’elemen químic més abundan a l’uni e s, i s’ha u ili za du an dècades en di e sos
p ocessos indus ials, des de la p oducció d’amoníac ins al e ina del pe oli, passan pe la indús ia
me al·lú gica o l’elec ònica.(Ramachand an, Menon 1998)
To i així, la majo pa de l’hid ogen p oduï ac ualmen al món e del combus ibles òssils. El e que
aques a on sigui an dominan e donada pel e que la co elació dels cos os de p oducció es an
mol lliga s als de en a, els quals enen alo s mol accep ables (Megia e al. 2021).
La ecnologia pe p odui hid ogen a pa i de combus ibles òssils és mol madu a, i es cen a
p incipalmen en e o ma d’hid oca bu s i pi òlisi. Tan és així que el 48% de l’hid ogen p oduï al món
al 2015 e a a pa i de gas na u al, el 30% a pa i de pe oli i el 18% a pa i de ca bó (Megia e al.
2021). Al 2020 l’UE es ima a que en e 70 i 100 milions de ones de CO2 s’allibe en anualmen en els
seus països. (Eu opean Comission 2020)
Memò ia
6
Figu a 2.3. Resum de les ecnologies de p oducció d’hid ogen a pa i de combus ibles òssils. Taula de: (Megia
e al. 2021)
Es en aques con ex que apa eix l’hid ogen e d, p oduï mi jançan l’elec òlisi de l’aigua u ili zan
ene gia eno able, eliminan així les emissions associades a la se a p oducció.
L’hid ogen e d es à guanyan un impuls signi ica iu a Eu opa i el mon, ja que o e eix un po encial
eno me pe al de eali za una ansició cap una economia baixa en ca boni. Com a po ado d’ene gia,
l’hid ogen es po emp a com a ma è ia p ima o combus ible, amb aplicacions indus ials i de
anspo . El seu a an a ge més g an és que el seu ús no desp èn emissions de CO2 ni con aminan s,
cosa que el con e eix en una peça clau pe desca boni za sec o s on la educció d’emissions és
especialmen complexa.
La Unió Eu opea conside a l’hid ogen e d essencial pe al d’a iba als seus objec ius climà ics,
especialmen el comp omís de la neu ali a de ca boni de ca a a 2050, desc i a en l’aco d de Pa ís.
L’hid ogen po in eg a -se en el u u sis ema ene gè ic conjun amen amb l’elec ici a eno able, i el
seu desplegamen a g an escala p e eu edui les emissions en e un 50 i un 55% als ol an s de 2030.
Es d’espe a que les in e sions en hid ogen e d ambé es imulin el c eixemen econòmic, ja que
s’anuncien con ínuamen nous plans d’in e sió. Les p ediccions d’in e sió es doblen amb un any de
dis ància en e elles segons l’EU, i S&P es ima que la in e sió en elec oli zado s al 2024 hau à anca
en 5 bilions, doblan ambé la p edicció de l’any an e io .
To i el seu po encial, l’hid ogen e d p esen a ep es, en e els quals des aca la se a compe i i i a en
cos os espec e a l’hid ogen d’o igen òssil. Pe supe a aques s esul a s l’UE plan eja a al 2020 un
en ocamen es a ègic, que enia com objec iu ins al·la com a mínim 6 GW de elec oli zado s
d’hid ogen eno able abans de 2024 i 40 GW pel 2030. Cal a egi que quasi o s els Es a s Memb es
han inco po a es a ègies d’hid ogen als seus plans nacionals d’ene gia i clima. (Eu opean Comission)
En l’ac uali a exis eixen di e ses mane es d’aconsegui hid ogen a pa i de ecu sos eno ables, de
les quals a à un b eu esum.
• P oducció d’hid ogen a pa i de biomassa
o P ocessos biològics
o P ocessos e moquímics
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
7
• P oducció d’hid ogen a pa i d’aigua
o Elec òlisi
o Te mòlisi
o Fo oelec òlisi
o Bio o òlisi
La biomassa és una on d’ene gia eno able que e de esidus ege als i animals, al com esidus
o es als, cul ius o subp oduc es animals. La se a con e sió en hid ogen es iable ècnica i
econòmicamen , i s’es ima que pod ia cob i més del 25% de la demanda ene gè ica mundial de ca a
al 2050. A di e ència dels combus ibles òssils els p ocessos de con e sió de biomassa edueixen i ins
i o abso beixen CO2. Els p incipals mè odes pe aconsegui hid ogen són els p ocessos biològics i
e moquímics.
Els p ocessos biològics inclouen la e men ació osca i la o o e men ació. En la e men ació osca o
Da k Fe men a ion bac è ies anae òbies subs a s ics en ca bohid a s en hid ogen sense necessi a de
llum. La se a limi ació es oba en ac o s me abòlics. Pe con a, la o o e men ació u ili za bac è ies
o osin è iques, que en condicions ambé anae òbies u ili zen llum sola pe p odui l’hid ogen. Els
seus endimen s eò ics són mol ele a s enca a que són mol dependen s de l’en o n (condicions
ambien als òp imes).
En quan als p ocessos e moquímics es des aca la pi òlisi, la gasi icació i la liqüe acció hid o e mal. Les
dues p ime es gene en me à i monòxid de ca boni, que es poden con e i en hid ogen mi jançan
e o ma amb apo i la eacció Wa e Gas Shi . La liqüe acció hid o e mal és òp ima pe biomassa
humida, i el p océs busca imi a les condicions geològiques de la Te a pe al de p odui pe oli.
L’hid ogen ambé es po p odui a pa i d’aigua, la qual es pa eix en hid ogen i oxigen si se li aplica
su icien ene gia La mane a més simple de sepa a -la és u ili zan una co en elèc ica. Aques p océs
s’anomena elec òlisi, i s’explica à en més de all al lla g del eball. Al es mane es de sepa a -la són
amb ene gia è mica, o ònica o mi jançan mic oo ganismes. (Shi a Kuma , Himabindu 2019; Megia
e al. 2021)
Memò ia
8
2.2. Me anol
El me anol és un compos o gànic onamen al en la indús ia química. Els seus usos són a ia s pe ò
els més impo an s són com a ma è ia p ima, dissol en i cosol en . Ap oximadamen el 65% de la
p oducció mundial de me anol es des ina a la ab icació d’àcid acè ic, ace a s de me il i inil, me ac ila
de me il, me ilamines, me il “ e ”-bu il è e (MTBE) i addi ius pe combus ible. La es a es ans o ma
en o maldehid i de i a s.
Figu a 2.4. Dis ibució dels usos de me anol. (Dalena e al. 2018)
His ò icamen la u a d’ob enció de me anol e a a pa i de la des il·lació de us a de mane a
anae òbica, o i que e a un p océs ine icien que deixa a un p oduc e ple d’impu eses. Al segle XVII
Robe Boyle a millo a el mè ode de p oducció, pu i ican el lla o s anomena inag e de us a, pe ò
o i així no es a come ciali za el p oduc e ins dos segles desp és, quan es a iden i ica la se a
molècula.
El p ime g an a enç indus ial pe la sín esi de me anol a se al 1923, quan l’emp esa alemanya BASF
a desen olupa un p océs d’hid ogenació ca alí ica a al a p essió de monòxid de ca boni. Aques a
se el p océs adop a globalmen pe al de p odui me anol du an 45 anys.
En la dècada de 1940 l’emp esa suïssa Lonza a inicia la sín esi indus ial de me anol a pa i de
hid ogen elec olí ic i diòxid de ca boni, u ili zan el ca ali zado d’òxid de zinc desen olupa pe Giulio
Na a. Al 1966 g àcies al e o ma de me à amb apo la p oducció es a e oluciona , implemen an
una mescla de diòxid de ca boni, hid ogen i monòxid de ca boni, que a ob i les po es a nous
ca ali zado s. Aques can i a pe me e edui la empe a u a i p essió. Aques p océs a se
implemen a pe l’emp esa b i ànica Impe ial Chemical Indus ies (ICI).
Va se du an 1973, du an la c isi pe ole a que a a ec a sob e o a Es a s Uni s, que l’in e ès en el
me anol com a combus ible es a mul iplica , i a implica un augmen de la p oducció i de la ece ca
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
9
de ecnologies sob e aques a. To i així, al 1990 la Llei d’Ai e Ne impulsada pel ma eix país en a
es ingi l’a enç. Va se en aques a dècada que es a descob i ambé la se a u ili a com a e ili zan ,
cosa que a man eni un ni ell de demanda. Ac ualmen el consum de me anol és de 92 milions de
ones anuals i la se a p oducció ha augmen a un 1433% des de 1975. (Dalena e al. 2018)
Figu a 2.5. E olució de la de la p oducció de me anol al lla g dels anys.(Dalena e al. 2018)
2.2.1. P oducció de me anol
Tal i com s’ha comen a , en l’ac uali a exis eixen di e ses ecnologies pe la p oducció de me anol.
Se’n a un b eu esum.
2.2.1.1. Me anol a pa i de gas na u al
És el mè ode més u ili za en la indus ia, el 90% de me anol come ciali za e d’aques a u a. A pa i
de la e o mació amb apo del gas na u al i de la e o mació au o è mica de gas na u al es p odueix
el gas de sín esi, la mescla d’H2, CO2 i CO. Aques es con e eix en me anol, que desp és es des il·la pe
al d’aconsegui la pu esa desi jada.
Aques p océs s’explica amb més de all en següen s apa a s.(Dalena e al. 2018)
2.2.1.1.1 P océs BASF a al a p essió
Aques p océs es a descob i quan A. Mi asch i M. Pie es udia en la sín esi d’amoníac mi jançan el
p océs Bosch-Habe . Els cien í ics an obse a que la hid ogenació de monòxid de ca boni amb un
ca ali zado de e o a més de 500ºC i a 100 ba p oduïa me anol. El p oblema p incipal e a que ambé
es gene a en al es compos os, i el me anol e a el menys a a o i e modinàmicamen .
Memò ia
10
Es a en e p o es, i inalmen es a eu e com la hid ogenació amb ca ali zado s de ZnO/CuO a
p essions en e 250 i 300 ba i empe a u es en e 320 i 450ºC dona a bons esul a s. Aques a se
doncs el mè ode es able . (Dalena e al. 2018; Zhen, Wang 2015)
2.2.1.1.2 P océs ICI a baixa p essió
Als anys 60, ICI a desen olupa un p océs de baixa p essió pe la sín esi de me anol, ope an a 35-54
ba i 200ºC-300º, mi jançan un ca ali zado de cou e, òxid de zinc i alumini. Aques a enç a se
possible g àcies a la pu i icació dels gasos de sín esi, eliminan compos os de so e i clo que
desac i a en els ca ali zado s. L’alumini a millo a -ne l’es abili a è mica i e i a a la o mació de
c is alls de cou e.
El model mic ocinè ic d’aques p océs e ela que es p odueix me anol a pa i d’in e medis de eacció
com el o mia , el o maldehid i el me òxid. (Dalena e al. 2018)
2.2.1.2. P oducció de me anol a pa i de ca bó
La p oducció de me anol a pa i de ca bó implica la gasi icació con olada del ca bó amb oxigen pe
al de gene a gas de sín esi, el qual es pu i ica i con e eix en me anol. El consum de ca bó és de 1.42-
1.59 ones pe cada ona de me anol, amb una e iciència ene gè ica del 43-48%. Les emissions de CO2
són de 2.37-3.52 ones pe ona de me anol.
El p océs inclou:
1. Gasi icació: Oxigenació pa cial del ca bó pe al de p odui gas de sín esi.
2. Pu i icació: Eliminació de gasos àcids i ajus de la p opo ció de CO:H2.
3. Sín esi de me anol: Con e sió del gas de sín esi pu i ica en me anol.
4. Re inamen : Pu i icació inal del me anol.
Ac ualmen hi ha es udis i simulacions que demos en que amb l’op imi zació del p océs es poden
aconsegui millo es en la se a e iciència i es al i d’aigua, a iban a ap oximadamen un 60%
d’e iciència. (Zhen, Wang 2015; Bozzano, Manen i 2016a)
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
11
Figu a 2.6. Esquema de la p oducció de me anol a pa i de ca bó. (Zhen, Wang 2015)
2.2.1.3. P oducció de me anol a pa i de gas de o n de coc
Els gasos de o ns de coc són p oduc es secunda is de les coque ies. La se a composició és majo i à ia
en hid ogen (50-60%), me à (23-27%), CO (5-8%) i ni ogen.
El p océs de con e sió comença amb el e o ma sec del gas. El e o ma en sec és segons Te mca :
“Re o mació en què l'hid oca bu , gene almen gas na u al, o l'alcohol es a eacciona amb diòxid de
ca boni pe a p odui gas de sín esi.”, i és un p océs que es du a e me a baixa p essió. L’al a
concen ació d’hid ogen en el gas de o ns de coc a ec a bas an el endimen del p océs, pe ò a al es
empe a u es (1000ºC) l’e ec e queda pal·lia .(Zhen, Wang 2015; Bozzano, Manen i 2016a)
2.2.1.4. P oducció de me anol a pa i de l’hid ogen
La p oducció d’hid ogen elec olí ic es una mane a e icien d’emmaga zema elec ici a gene ada pe
on s d’ene gia eno ables. Aques hid ogen es po e se i en la p oducció de me anol. Amb o , pe
al d’ob eni me anol de mane a sos enible cal comp a amb una on eno able de ca boni.
Una possible opció consis eix en cap u a el diòxid de ca boni gene a al c ema combus ibles òssils
amb oxigen i combina -lo amb hid ogen eno able. Una al a opció és eu ili za el diòxid de ca boni
de la p òpia p oducció de me anol, enca a que aques p océs és desaconsella ac ualmen , degu al
seu pob e endimen ene gè ic.
Memò ia
12
La eacció d’hid ogenació ca alí ica del diòxid de ca boni és la eacció més es udiada i pe an més
madu a pe aques p océs. (Bozzano, Manen i 2016a; Zhen, Wang 2015)
2.2.1.5. Me anol a pa i de biomassa
La p oducció de me anol a pa i de biomassa segueix els ma eixos passos que la p oducció a pa i de
ca bó, p oducció de gas de sín esi, p oducció de me anol i des il·lació. En aques cas, es necessi en dos
p incipals componen s, el p ime és un gasi icado de biomassa i el segon és la plan a de p oducció de
me anol. Aques és un diag ama de blocs que en desc iu els passos:(Zhen, Wang 2015)
Figu a 2.7. Esquema del p océs de p oducció de me anol a pa i de biomassa. (Zhen, Wang 2015)
2.3. Objec ius i abas del eball
El p esen eball é com a objec iu p incipal l’es udi i simulació d’un p océs de e alo ació del CO2,
mi jançan la p oducció de me anol amb hid ogen e d, con ibuin així al desen olupamen de
solucions sos enibles pe a la desca boni zació de la indús ia. Aques a simulació ha de se i com a
pun de pa ida pe a l’es udi i la u u a implemen ació indus ial del p océs.
Pe assoli aques objec iu gene al es plan egen els següen s objec ius especí ics:
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
13
1. Anali za l’es a ac ual de la indús ia de me anol i hid ogen.
Reali za una anàlisi de allada sob e el desen olupamen ecnològic i la si uació ac ual de la
indús ia del me anol i de l’hid ogen, iden i ican les endències eme gen s i les opo uni a s
de millo a en el con ex de la ansició ene gè ica.
2. Ca ac e i za un model cinè ic pe al p océs p oposa de p oducció de me anol.
De ini i alida un model cinè ic ealis a de les eaccions ca alí iques implicades en la sín esi
de me anol, amb l’objec iu de ga an i la p ecisió de la simulació
3. In eg a el model d’elec òlisi en la simulació
Implemen a el model d’elec oli zado ecen men inco po a al simulado selecciona i
anali za -ne el compo amen pe e i ica la se a iabili a i e icàcia en el con ex del p océs
de p oducció de me anol.
4. A alua l’impac e ambien al del p océs
Anali za els impac es ambien als associa s al p océs p oposa , posan especial a enció a la
educció d’emissions de CO2 i al consum ene gè ic, indicado s clau de sos enibili a ambien al.
5. Reali za un anàlisi econòmic p elimina
Es ima la iabili a econòmica del p océs simula mi jançan un anàlisi dels cos os
d’implemen ació i ope ació.
L’abas d’aques eball es ocali za exclusi amen en l’anàlisi d’una u a especí ica pe a la p oducció
de me anol a pa i de diòxid de ca boni i hid ogen e d. Conc e amen s’es udia à el p océs que
consis eix en la con e sió de CO2 i H2 en gas de sín esi, o ma p incipalmen pe monòxid de ca boni i
hid ogen, pe a la pos e io ans o mació d’aques a mescla en me anol. Aques anàlisi no inclou à la
compa ació amb al es possibles ies de sín esi de me anol, com a a la ia di ec a o al es al e na i es
eme gen s, ja que l’objec iu és ap o undi en l’es udi d’aques a ecnologia conc e a.
En cohe ència amb els objec ius plan eja s, aques p ojec e no p e én iden i ica la millo solució
ecnològicamen disponible, sinó anali za de alladamen una opció conc e a pe comp end e el seu
uncionamen i les se es implicacions. Pe aques mo iu, queda o a de l’abas l’op imi zació del
p océs.
A causa d’aques en ocamen especí ic, l’es udi es limi a a l’es udi, simulació i a aluació ambien al i
econòmica del p océs selecciona , amb l’objec iu de p opo ciona una base sòlida pe a u u s es udis
i desen olupamen s més exhaus ius en aques camp.
Memò ia
20
En uni a s de kWh:
143000 𝑘𝐽·1𝑘𝑊ℎ
3600 𝑘𝐽=39.72 𝑘𝑊ℎ
(Eq. 3.10)
I si es ol e el càlcul d’ene gia eal, cal di idi aques nomb e pe l’e iciència.
3.2. Reaccions del p océs
El p océs de o mació de me anol és un p océs al amen es udia , doncs com ja s’ha comen a abans,
la se a p oducció da a de a anys i és un p oduc e amb una al a demanda. No malmen el p océs de
eacció cons a de es pa s(Dalena e al. 2018):
• P oducció de gas de sín esi al p ime eac o
• P oducció de me anol al segon eac o
• Des il·lació del me anol ins aconsegui la pu esa desi jada.
I es dóna en p esencia de ca ali zado s, aconseguin així les eaccions anomenades eaccions
ca alí iques he e ogènies.
En aques apa a s’explica àn els dos p ime s.
3.2.1. P oducció de gas de sín esi
En l’indus ia ac ual, la majo a de gas de sín esi es p odueix a pa i del me à.
El mè ode més comú pa in del gas na u al com a ma è ia p ime a és la e o mació amb apo (S eam
Re o ming) a al es empe a u es (700-1000ºC), en p esencia d’un ca ali zado (Bozzano, Manen i
2016b; Ma kowi sch, Lehne , Maly 2023; Dalena e al. 2018).
𝐶𝐻4+𝐻2𝑂↔𝐶𝑂+3𝐻2
Equació 3.11.- Re o mació amb apo del me à.
(Eq. 3.11)
Al es eaccions poden se el e o ma au o è mic del me à o la se a oxidació pa cial amb oxigen pe
al de gene a calo in e n, aconseguin una millo e iciència ene gè ica:
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
21
𝐶𝐻4+2𝑂2→𝐶𝑂2+2𝐻2𝑂
Equació 3.12.- Re o mació au o è mica del me à.
(Eq. 3.12)
𝐶𝐻4+1
2𝑂2→𝐶𝑂+2𝐻2
Equació 3.13.- Oxidació pa cial del me à.
(Eq. 3.13)
𝐶𝐻4+2𝐻2𝑂↔𝐶𝑂2+4𝐻2
Equació 3.14.- Me anació del CO2
(Eq. 3.14)
Pe aconsegui que el p oduc e del p ime eac o ingui la p opo ció co ec a de CO2, CO i H2, es dóna
ambé la eacció WGS o Re e se Wa e Gas Shi :
𝐶𝑂+𝐻2O↔ 𝐶𝑂2+𝐻2
Equació 3.15.- Wa e Gas Shi
(Eq. 3.15)
Aques eball ca ac e i za à només aques a da e a, ja que al se un p océs e d, no comp a amb
alimen ació de me à.
A l’ho a de ca ac e i za el gas de sín esi s’emp a un pa àme e anomena “S” el qual en de ineix la
composició:
𝑆=𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐻2−𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐶𝑂2
𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐶𝑂2+𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐶𝑂
Equació 3.16.- Nomb e es equiomè ic S.
(Eq. 3.16)
Memò ia
22
Aques pa àme e es equiomè ic desc iu la elació en e la di e ència de mols d’hid ogen i monòxid
de ca boni i la suma de mols d’aques da e i els de diòxid de ca boni.
Els es udis a i men que un alo de “S” p ope a 2 es l’òp im pe una p oducció de me anol so a
condicions ideals. To i així aques alo no es ealis a quan es pa eix del me à, ja que indus ialmen
es oba al ol an de 2.8-3 (Ma kowi sch, Lehne , Maly 2023; Bozzano, Manen i 2016b; Dalena e al.
2018; Xu, F omen 1989).
3.2.2. P oducció de me anol
En aques a e apa el gas de sín esi aconsegui al p ime eac o es con e eix en me anol.
En quan a les eaccions que es donen al segon eac o , hi ha deba s a la li e a u a, doncs els models
han ana e olucionan . Au o s a en p o a models on només amb CO i H2 es podia aconsegui el
esul a desi ja (Agny , Takoudis 1985), men e que a mesu a que s’han eali za es udis, s’ha ana
accep an que és el gas de sín esi amb els seus es componen s la al e na i a més ealis a (G aa e al.
1988; Klie e al. 1982)
𝐶𝑂+2𝐻2↔𝐶𝐻3𝑂𝐻
Equació 3.17.- Hid ogenació de CO.
(Eq. 3.17)
𝐶𝑂2+3𝐻2↔𝐶𝐻3𝑂𝐻+𝐻2𝑂
Equació 3.18.- Hid ogenació de CO2.
(Eq. 3.18)
𝐶𝑂2+𝐻2↔ 𝐶𝑂+𝐻2𝑂
Equació 3.19.- Reacció Re e se-Wa e -Gas-Shi .
(Eq. 3.19)
Els models inicials es dona en a p essions mol al es en p esencia de ca ali zado s com ZnO/C 2O3, i
aques s s’han abandona en a o de models a menys p essió (Bussche, F omen 1996)
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
23
3.3. Cinè iques
Pe al de pa la de les cinè iques d’aques es eaccions p ime cal explica el uncionamen d’aques es
eaccions ca alí iques he e ogènies.
Les eaccions que s’han de ca ac e i za en aques p océs es poden de ini seguin un model Langmui -
Hinshelwood-Hougen-Wa son (LHHW).
En una eacció ca alí ica he e ogènia amb una equació LHHW, la eloci a o “ a e” e donada pe la
següen exp essió gene al (T ipodi e al., 2017):
𝑟=(𝑘𝑖𝑛𝑒𝑡𝑖𝑐 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟)(𝑑𝑟𝑖𝑣𝑖𝑛𝑔− 𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑚)
(𝑎𝑑𝑠𝑜𝑝𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑚)
Equació 3.20.- Veloci a de la eacció ca alí ica he e ogènia
(Eq. 3.20)
No malmen el ac o cinè ic po eni de ini pe la cons an cinè ica d’Ah enius:
𝑘=𝐴𝑇𝑛𝑒−𝐸𝑎
𝑅𝑇
Equació 3.21.- Cons an cinè ica d’Ah enius
(Eq. 3.21)
On:
• A és el ac o p e-exponencial.
• Ea és l’ene gia d’ac i ació.
• R és la cons an dels gasos.
• Tn és un ac o que pe me desc iu e millo la dependència de la empe a u a, enca a que
no malmen es ze o.
El ac o d’equilib i o “d i ing o ce” és una exp essió de la quan i a disponible de eac ius, cada un
d’ells amb el seu o d e de eacció espec iu i conside an les eaccions cap enda an i cap en e e:
𝑑𝑟𝑖𝑣𝑖𝑛𝑔 𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒=𝐾1∏𝐶iα− 𝐾2∏𝐶iβ
Equació 3.22.- Te me d’equilib i.
(Eq. 3.22)
On:
Memò ia
24
• K1 i K2 ep esen en les cons an s d’equilib i.
• Ci és la concen ació dels eac ius.
• α i β són els o d es de eacció de cada componen .
Pe úl im el e me d’abso ció ep esen a les cons an s d’abso ció de les di e en s espècies.
𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑝𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑚= ∑𝐾𝑖 (∏𝐶𝑗𝛾 )
Equació 3.23.- Te me d’abso ció.
(Eq. 3.23)
3.3.1. Cinè iques de la p oducció de gas de sín esi.
Tal i com s’ha especi ica abans, a la eed del p ime eac o s’hi in odueix CO2 i H2 amb l’objec iu de
p odui gas de sín esi (Xu, F omen 1989).
L’equació de la eloci a que es po dona amb aques s componen s és:
𝑟𝑊𝐺𝑆 =𝑘1
𝑝𝐻2( 𝑝𝐶𝑂𝑝𝐻2𝑂−𝑝𝐻2𝑝𝐶𝑂2
𝐾1∗)
(1+𝐾𝐶𝑂𝑝𝐶𝑂+𝐾𝐻2𝑝𝐻2+𝐾𝐶𝐻4𝑝𝐶𝐻4+𝐾𝐻2𝑂𝑝𝐻2𝑂
𝑝𝐻2)2
Equació 3.24.- Cinè ica de la WGS.
(Eq. 3.24)
La cons an d’aques a eacció és:
𝑘1=8.602·109exp(−67130
𝑅𝑇 )
Equació 3.25.- Cons an cinè ica de la WGS.
(Eq. 3.25)
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
25
La cons an d’equilib i d’aques a eacció a 950ºC i 10 ba (condicions d’ope ació del p ime eac o ),
segons els càlculs e s pe (Po as, 2024) és:
𝐾3=0.654 𝑏𝑎𝑟2
3.3.2. Cinè iques de la p oducció de me anol.
En el segon eac o es passa de gas de sín esi a me anol. Seguin el model es able pe Bussche i
F omen (Bussche, F omen 1996), les eaccions p incipals són la RWGS i la hid ogenació ca alí ica de
CO2.
Aques p océs desc iu an una eacció de sín esis de me anol com la eacció Re e se Wa e Gas Shi
sob e un ca ali zado de Cu/ZnO/Al2O3. Els angs d’ope ació d’aques model són en e 180 i 280ºC i
p essions de ins a 51 ba , enca a que es udis sob e el ma eix model (Biso i e al. 2022)amb al es
ca ali zado s si uen aques da e alo més al .
Les se es equacions de eloci a són:
𝑟𝑀𝑒𝑂𝐻 =𝑘1
′𝑝𝐶𝑂2𝑝𝐻2[1−( 1
𝐾𝑀𝑒𝑂𝐻
∗)(𝑝𝐻2𝑂𝑝𝐶𝐻3𝑂𝐻
𝑝𝐶𝑂2𝑝𝐻2
3)]
(1+𝐾2𝑝𝐻2𝑂
𝑝𝐻2+(𝐾3𝑝𝐻2)0.5+𝐾4𝑝𝐻2𝑂)3
Equació 3.26.- Cinè ica de sín esi de me anol.
(Eq. 3.26)
𝑟𝑅𝑊𝐺𝑆 =𝑘5
′𝑝𝐶𝑂2[1−𝐾𝑅𝑊𝐺𝑆
∗(𝑝𝐻2𝑂𝑝𝐶𝑂
𝑝𝐶𝑂2𝑝𝐻2)]
(1+𝐾2𝑝𝐻2𝑂
𝑝𝐻2+(𝐾3𝑝𝐻2)0.5+𝐾4𝑝𝐻2𝑂)1
Equació 3.27.- Cinè ica de les RWGS.
(Eq. 3.27)
Els pa àme es del model cinè ic segueixen l’equació d’Ah enius on:
Memò ia
26
𝑘1
′=1.07exp(−36696
𝑅𝑇 )
Equació 3.28.- P ime a cons an cinè ica del model de Bussche.
(Eq. 3.28)
𝑘5
′=1.22·1010exp(−94765
𝑅𝑇 )
Equació 3.29.- Segona cons an cinè ica del model de Bussche.
(Eq. 3.29)
𝐾2=3.45·103
Equació 3.30.- P ime a cons an d’adso ció del model de Bussche.
(Eq. 3.30)
𝐾3=0.499exp(17197
𝑅𝑇 )
Equació 3.31.- Segona cons an d’adso ció del model de Bussche.
(Eq. 3.31)
𝐾4=6.62·10−11exp(124119
𝑅𝑇 )
Equació 3.32.- Te ce a cons an d’adso ció del model de Bussche.
(Eq. 3.32)
Les cons an s d’equilib i enen de inides pe (G aa e al. 1986) i són:
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
27
𝑙𝑜𝑔10(𝐾𝑊𝐺𝑆
∗)=−2073
𝑇+2.029
Equació 3.33.- Cons an d’equilib i del model de G aa pe la eacció WGS.
(Eq. 3.33)
𝑙𝑜𝑔10(𝐾𝑀𝑒𝑂𝐻
∗)=5139
𝑇−12.621
Equació 3.34.- Cons an d’equilib i del model de G aa pe la eacció de sín esi de me anol.
(Eq. 3.34)
3.4. Al e na i es
To i que la eacció de p oducció de me anol és una eacció mol es udiada i u ili zada, els au o s no es
la p incipal u a de sín esi és enca a a ui con o e ida.
En la següen aula es p oposa un esum de a icles que donen cinè iques en unció de les eaccions,
ca ali zado s i condicions d’ope ació que es desi gin, p oposada pe (Chinchen e al.):
Taula 1: Ru es de sín esi de me anol.
Au o
Condicions
Reaccions
Ma ulewicz(Ma ulewicz, 1984)
1-7 ba
190-242 ºC
CO, H2
Agny & Takoudis(Agny , Takoudis’
1985)
3-15 ba
250-290 ºC
CO/H2
Klie e al. (Klie e al. 1982)
75 ba
225-250 ºC
CO2 /CO/H2
Vllla e al. (Vllla e al. 1985)
30-94 ba
215-246 ºC
CO2 /CO/H2
Memò ia
28
Os o kii & Dya lo
(Chinchen e al.)
1 ba
200 ºC
CO2 /CO/H2
Shub e al.
(Chinchen e al.)
1 ba
200 ºC
CO2 /CO/H2
Che i i e al.
(Chinchen e al.)
1 ba
170 ºC
CO2 /CO/H2
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
29
4. Modeli zació de la p oducció de me anol a pa i
d’hid ogen e d
4.1. Simulació
Simula p ocessos químics ep esen a una eina onamen al en l’enginye ia química. Simulado s com
pe exemple ASPEN HYSYS, UniSim o ASPEN Plus pe me en in eg a in o mació de allada sob e les
p opie a s e modinàmiques, equilib is de ase o eloci a s de eacció en e d’al es aspec es,
pe me en així c ea un model ealis a capaç de p edi el compo amen d’un sis ema químic.
Un g an a an a ge que o e eixen és el de ep esen a i ualmen el p océs químic, ajus an així un
ma c que pe me i e i a la necessi a de ce es p o es expe imen als p è ies a la implemen ació d’una
plan a pilo o del sis ema a escala indus ial. Aques es p o es, o mesu es compo a ien un cos i un
emps. També acili en en g an mesu a l’anàlisi d’escena is i l’op imi zació de a iables d’ope ació o de
disseny, ac o que ambé pe me a l’enginye a alua can is que poden signi ica un g an es al i o
millo a de p oduc e sense suposa una despesa o pa ada de p oducció pe p o a -los.
El e de implemen a dades com les cinè iques en una simulació acili a en g an mesu a la quan i a
de càlculs a eali za , i assegu a ambé una simulació p edic i a del endimen del eac o , con e sió
de eac ius o pu esa i cabals dels p oduc es, e que pe me p end e decisions basades en dades i
ga an eix que el disseny i ope ació del sis ema siguin més e icien s i sos enibles.
Un al e g an a an a ge dels simulado s come cials és la se a capaci a d’in eg a àmplies bases de
dades amb in o mació essencial pel modela ge de p ocessos. A més de coe icien s bina is i models
e modinàmics com les equacions d’es a (Peng-Robinson, SRK, Wilson...), aques es bases ambé
inclouen co elacions pe calcula p opie a s de anspo com la iscosi a i la conduc i i a è mica,
així com dades pe equilib is Líquid-Vapo o Líquid-Líquid.
També o e eixen models que desc iuen sis emes elec oquímics, eaccions ca alí iques i cinè iques
basades en l’equació d’Ah enius. Aques a di e si a pe me als enginye s eballa amb eines iables i
p ecises, minimi zan mol e o s i agili zan els càlculs.
En de ini i a, l’ús de simulado s químics no només acili a el desen olupamen i l’op imi zació dels
p ocessos, sinó que ambé esde é una eina es a ègica a l’ho a de p end e decisions in o mades en
àmbi s indus ials. G àcies a la se a capaci a de ep esen ació i d’in eg ació de dades complexes,
aques s p og ames con ibueixen a minimi za iscs i edui cos s.
S’han conside a es p og ames alho a de ca ac e i za aques p océs:
Memò ia
36
Un cop es enen aques s pa àme es ja es é o a la in o mació cinè ica.
Taula 6: Resum de les cons an s cinè iques del segon se de eaccions.
Hid ogenació del CO2
k
A
1.07
Ea [J/mol]
-36696
k’
A
4.16·1010
Ea [J/mol]
21969.98
RWGS
k
A
1.22·1010
Ea [J/mol]
9.48·104
k’
A
1.14·108
Ea [J/mol]
5.51·104
4.2.2.3. Ve i icació dels pa àme es ob ingu s:
Un cop s’han ob ingu aques es dades cal e i ica que el model és co ec e. (Biso i e al. 2022)
implemen a el ma eix model cinè ic, amb els següen s esul a s:
Taula 7: Resum de les cons an s cinè iques del segon se de eaccions segons Biso i e al.
Hid ogenació del CO2
k
A
1.07
Ea [J/mol]
-3.67·104
k’
A
4.18·1010
Ea [J/mol]
2.20·104
RWGS
k
A
1.22·1010
Ea [J/mol]
9.48·104
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
37
k’
A
1.14·108
Ea [J/mol]
5.51·104
Com es po obse a , només hi ha dos pa àme es que di e eixin en e ells:
• El ac o p e-exponencial de la p ime a eacció in e sa, que di e eix en menys d’un 0.5%
• El ac o p e-exponencial de la segona eacció di ec a, que di e eix en menys d’un 0.15%.
Pe an es po a i ma que el model queda sa is ac ò iamen e i ica .
4.2.2.4. Validació del model ob ingu
Pe al de alida el model, es a à la compa ació amb (Chen e al. 2011), que simula un eac o ipus
Lu gi. Aques a ecnologia consis eix en un eac o subme gi en un bany d’aigua bullin . L’aigua al seu
ol an a que sigui quasi iso è mic, ja que l’aigua ac ua com a jaque a de e edamen , uncionan de
mane a simila a com ho a ia un in e can iado de calo .
El eball de Chen e al. (Chen e al. 2011) pa la del model, pe ò ambé p opo ciona dades de plan a.
Dona que aques eball no busca oba dades expe imen als en condicions conc e es, es alida à el
model amb les de l’a icle. Biso i e al. (Biso i e al. 2022) ambé simula un model amb aques es dades.
A HYSYS aques eac o esul a ela i amen senzill de simula , p enen la o ma d’un PFR (Plug Flow
Reac o ) comple amen de ini , an a ni ell de mesu es com de co en s i ca ali zado s. La calo
d’aques eac o s’in odueix en un hea e que calen a un co en d’aigua. Chen e al. p esen a o es
les dades necessà ies pe al de e -ho, cosa que pe me alida el model, compa an els esul a s
ob ingu s amb els seus.
Les dades p oposades són:
Taula 8: Ca ac e ís iques del eac o i del ca ali zado .
Diàme e del eac o [m]
0.04
Longi ud del ub [m]
7
Memò ia
38
Núme o de ubs
1620
Diàme e del ca ali zado (mm)
5.4
Densi a del ca ali zado (kg/m3)
1190
F acció buida dins el lli del eac o
0.285
Coe icien de ans e ència de calo [W/(m2·K)]
118.44
En quan a les ca ac e ís iques dels co en s:
Taula 9: Ca ac e ís iques dels co en s.
Co en de gas de sín esi
Aigua e ige an
Tempe a u a [ºC]
225
220
P essió [ba ]
69.7
29
Flux màssic [kg/h]
57269
13800
F acció de apo
1
0
Flux màsic pe componen [kg/h]:
CO
10727.9
-
CO2
23684.2
-
H2
9586.5
-
H2O
108.8
13 800
MeOH
756.7
-
CH4
4333.1
-
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
39
N2
8072.0
-
Es compa en els alo s ob ingu s a ni ell indus ial pe Chen e al. amb un eac o Lu gi amb els
ob ingu s pel model simula :
Taula 10: Validació amb l’e o ela iu de les dades.
Dades indus ials
Simulació de alidació
E o ela iu (%)
Tempe a u a (°C)
255
266.2
-4.39
P essió (ba )
66.7
63.42
4.92
Flux màssic pe
componen s (kg/h)
CO
4921
5785
-17.56
CO2
18316.4
18224.6
0.50
H2
8013.7
8124
-1.38
H2O
2309.3
2343
-1.46
MeOH
11283.1
10385
7.96
Basan en el model cinè ic de VBF, aques TFG ha ob ingu esul a s simila s als indus ials. Si es a una
compa ació amb el eball de Biso i e al.(Biso i e al. 2022), el qual ambé implemen a un model
cinè ic amb aques eac o i el compa a amb les dades indus ials:
Memò ia
40
Figu a 4.5. Compa ació de les dades ob ingudes pe aques eball, pe una simulació i indus ialmen .
En aques a ep esen ació es po obse a com el model que s’implemen a à en aques eball
ep odueix amb ideli a les dades expe imen als apo ades pe Chen e al., i s’ap opa enca a més a les
dades simulades pe Biso i e al..
Figu a 4.6.- Flux de me anol al lla g del eac o
En el g à ic supe io es po eu e ep esen ada l’e olució del cabal màssic de me anol en el eac o .
Cal des aca que en la longi ud 0m del eac o ja eacciona ins a 6500 kg/h. Es suposa que el p og ama
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
41
ca ac e i za aques a e olució pel e de eni una ene gia d’ac i ació nega i a. Com els esul a s a la
so ida són semblan s als simula s bibliog à icamen es p enen com co ec es. Es ep esen en o s els
luxos de componen s no ine s:
Figu a 4.7. Fluxos màssics al lla g del eac o
Memò ia
42
4.2.3. Desc ipció i diag ama de lux
L’objec iu d’aques p ojec e és dissenya i de ini una plan a pe un p ojec e pe una emp esa, que
desi ja una p oducció de me anol de 150 Kg/h. El clien assegu a que po p o ei d’un cabal de CO2
cap u a cons an , i pe an la simulació de l’ob enció d’aques no és d’in e ès en el p esen eball.
El clien ambé assegu a un uncionamen de la plan a en con inu, només in e ompen la p oducció
pe pa ades ècniques o de man enimen .
Un cop queden les eaccions alidades, els componen s de ini s i el paque e modinàmic selecciona ,
es p ocedeix a desc iu e el diag ama de lux de la plan a.
Figu a 4.8. Diag ama de lux de la plan a.
El p og ama ASPEN HYSYS disposa d’un model d’elec oli zado alcalí. Aques s’alimen a amb aigua, i
unciona mi jançan un co en d’ene gia lliu e de ca boni (pe exemple hid àulic, eòlic o sola ) pe al
d’ob eni dos co en s, un d’hid ogen, que es subminis a à a la plan a i un de oxigen.
L’hid ogen es mescla amb un co en de diòxid de ca boni, en p opo ció 1:1 i passa pe un conjun de
cale ac o s que si uen la mescla a la empe a u a obada pe que es doni la eacció, que dona à el
p oduc e que més enda an se à el gas de sín esi.
Del eac o en su una mescla d’hid ogen, diòxid de ca boni, monòxid de ca boni i aigua. Aques a
mescla es e eda pe al de acili a la selec i i a en el sepa ado lash. L’objec iu d’aques és elimina
la majo quan i a d’aigua possible, pe al d’a iba a una composició desi jable en la mescla, que sense
aigua ja s’anomena gas de sín esi. Aques sepa ado ambé és imp escindible pe la següen pa , el
en de comp essió. La majo ia de comp esso s del me ca no accep en líquids en la se a alimen ació.
Dona que els líquids són incomp essibles pe de inició els comp esso s no poden e la se a eina amb
p opie a , gene an així un bloqueig hid àulic. Això po p o oca iscs mecànics, poden gene a danys
en componen s in e ns.
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
43
Aques en de comp essió cons a de di e sos comp esso s segui s pe e ige ado s. Du an la
comp essió els gasos augmen en de empe a u a degu a la elació en e aques a a iable i la p essió.
Els e edado s in e -e apa enen com objec iu elimina pa del calo gene a pel gas abans de la
següen e apa de comp essió. Això assegu a que el comp esso si ua a pos e io i eballi amb un gas
més ed, e i an sob e-escal amen , millo an -ne l’e iciència i dis ibuin de mane a més equi a i a la
po ència eque ida pel sis ema.
Figu a 4.9. T en de comp essió p e i al segon eac o .
En aques a da e a pa del diag ama de lux el gas de sín esi es mescla amb un co en d’hid ogen,
que ambé e de l’elec oli zado i ha passa pe un en de comp essió, pe al de augmen a la se a
acció mola i a a o i la o mació de me anol en la eacció a iban així a la composició desi jada a
l’alimen ació del eac o . Aques co en es calen a ins a la empe a u a de eacció. Un cop es à a les
condicions idònies passa al eac o .
D’aques en su una mescla de diòxid de ca boni, monòxid de ca boni, me anol, aigua i hid ogen. En
un al e sepa ado lash es e i a de la mescla els olà ils, hid ogen, diòxid de ca boni i monòxid de
ca boni i es eci culen.
El co en d’aigua i me anol passa a una columna de des il·lació, i allà s’aconsegueix una mescla de
diòxid de ca boni i me anol, que alimen a un sepa ado , on s’aconsegueix una pu esa inal desi jada.
4.3. Elec oli zado
Pe la gene ació d’hid ogen mi jançan l’elec òlisi és onamen al de e mina el ipus d’elec oli zado
que s’u ili za à. En aques cas, s’ha op a pe un elec oli zado alcalí, una ecnologia consolidada que
des aca pe la se a obus esa en aplicacions a g an escala. Es dels elec oli zado s més emp a s en el
món indus ial. A di e ència d’al es ipus d’elec oli zado s, com els PEMEL o SOEC, l’elec oli zado
alcalí o e eix un uncionamen iable amb eque imen s especí ics més senzills. En aques a e sió del
p og ama és l’únic elec oli zado que HYSYS o e eix. Aques elec oli zado es po a u ili zan en el
me ca des dels inicis del segle XX. Això ha pe mès es udia amb de all els seus usos indus ials i
aconsegui da es i pa àme es ope acionals de g an iabili a .
Memò ia
44
Aques elec oli zado u ili za una solució d’hid òxid de po assi (KOH) com a elec òli , acili an així els
anspo s dels ions en e els elèc odes i pe me man eni l’elec òlisi a un endimen es able.
El model d’elec oli zado que o e eix HYSYS é com a eque imen pe al de ep esen a amb
exac i ud el seu compo amen l’elecció del paque e modinàmic de ASPEN P ope ies “Elec o NRTL”.
Qualse ol al e model no pe me à la execució del bloc d’elec òlisi. El paque dedica especí icamen
als elec oli zado s pe me calcula amb p ecisió les in e accions en e l’aigua, l’elec òli i els gasos
gene a s du an el p océs.
Aques e ambé implica l’ús d’un S eam Cu e , el qual sepa a l’elec oli zado de la es a de la
simulació, que com ja s’ha explica abans es simula amb SRK.
En aques cas, el p océs in odueix un co en d’aigua líquida a 90 ºC i 3 ba de p essió, ca ac e ís iques
desc i es pe la bibliog a ia (Shi a Kuma , Himabindu 2019; T a ne e al. 2021) com a ípiques. L’aigua
en a al sis ema de mane a cons an , assegu an p ou eac iu pe al de man eni la eacció a
l’elec oli zado .
Es ca ac e i za un sis ema d’elec oli zado amb 50 s acks de 50 cel·les cada un, dis ibuin així la
po ència pe cel·la de mane a aonable i man enin -la dins un ang es udia indus ialmen (<2,4 MW
pe s ack).(T a ne e al. 2021)
Taula 11: Pa àme es d’ope ació de l’elec oli zado .
Pa àme es d’ope ació de l’elec oli zado
P essió [a m]
3
Tempe a u a [ºC]
90
E iciència
65%
Po ència [MW]
37400
Taula 12: Balanços de ma è ia a l’elec oli zado .
Balanços de ma è ia a l’elec oli zado
Alimen ació
Ànode
Cà ode
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
45
Cabal mola [Kmol/h]
1400
1225
350.3
F acció mola H2O
1
0.8572
0.0014
F acció mola H2
0
0
0.9986
F acció mola O2
0
0.1428
0
Pe al de calcula la po ència necessà ia cal:
286𝐾𝑗
𝑚𝑜𝑙 ·1𝑚𝑜𝑙𝐻2
2𝑔 ·1000𝑔
1𝑘𝑔 =143000𝐾𝑗
𝑘𝑔 ·1
3600= 39.72 𝑘𝑊
𝑘𝑔 𝑑′𝐻2·1
0.65·619 𝑘𝑔 𝑑′𝐻2
=37825 𝑘𝑊
Di idi el alo eò ic de l’ene gia pe l’e iciència, 65% al i com desc iu T a ne e al., i mul iplica pels
kg d’hid ogen que es busquen.
Aques s kg són els necessa is pe segui la p opo ció es equiomè ica a l’alimen ació del p ime
eac o , on la composició desi jada és de 3:1.
Figu a 4.10. Composició mola a la so ida del eac o en unció de la empe a u a.(Ma kowi sch, Lehne , Maly
2023)
Memò ia
52
4.6. Sepa ació
La so ida de cues del sepa ado que es à si ua desp és del eac o és el co en d’en ada en aques a
e apa
Les ca ac e ís iques d’aques co en són:
Taula 17: Pa àme es del co en d’en ada a la columna.
P essió [ba ]
49.9
Tempe a u a [ºC]
30
Me anol [kmol/h]
82,11
H2O [kmol/h]
35,80
H2 [kmol/h]
0,10
CO [kmol/h]
3,35
CO2 [kmol/h]
5,43
Les condicions de la columna són:
Taula 18: Pa àme es de disseny de la columna.
Pa àme e
Valo
Condensado
To al
P essió al condensado [ba ]
1.013
P essió al eboile [ba ]
1.013
Rà io de e lux
1.5
Rà io de des il·la [kmol/h]
85
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
53
Es eali zen Case S udies pe ajus a els pa àme es.
Figu a 4.15. E ec e del à io de e lux sob e la acció de me anol.
Es po obse a com a pa i de ap oximadamen 1.3 de RR la acció de me anol es man é es able. Pe
an , es selecciona aques alo pe la columna. Un cop aques alo queda implemen a s’a alua l’al a
especi icació designada, el cabal mola al des il·la .
Es a un Case S udy, de 75 kmol/h a 100 kmol/h, compa an -lo amb la acció de me anol en aques ,
doncs es busca aconsegui una pu esa i un cabal màxims.
Figu a 4.16. E ec e del à io de des il·la sob e la acció de me anol.
Memò ia
54
Figu a 4.17. E ec e del à io de e lux sob e el cabal mola de me anol.
Es po eu e a la p ime a igu a com la pu esa màxima, p ope a al 94% de me anol es oba en un à io
de des il·la de 87.5 kmol/h, men e que en la segona es po eu e cm el lux mola a iba al pun més
al a 88 kmol/h de des il·la , pe desp és man eni -se cons an .
En e aques s dos pun s s’escull el de 87.5 kmol/h com a òp im. Maximi za la pu esa de me anol,
e i an que al obliga a so i més des il·la en i aigua és p io i a i pel p océs, ja que en la següen
e apa, la sepa ació inal en un lash cos a ia mol d’aïlla el me anol de l’aigua i el CO2 del co en . Si es
man é el ni ell d’aigua al mínim, la sepa ació de me anol i CO2 pe al d’ob eni una pu esa de p oduc e
màxima se à ac ible.
Pe an el balanç de ma è ia de la columna queda així:
Taula 19: Balanç mola de la columna.
Componen
Alimen ació
Caps
Cues
Me anol [kmol/h]
82,11
81,90
0,21
H2O [kmol/h]
35,80
0.02
35,77
H2 [kmol/h]
0,10
0,10
0
CO [kmol/h]
3,35
3,35
0
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
55
CO2 [kmol/h]
5,43
5,43
0
4.7. Da e a sepa ació
Com ja s’ha comen a en l’apa a an e io el co en de caps de la columna s’in odueix en un
sepa ado lash pe al de augmen a la se a pu esa ins un ang come cial. Abans d’en a es calen a
el co en pe al de liqua el me anol i acili a -ne la sepa ació del CO2.
El balanç màssic del sepa ado és:
Taula 20: Balanç mola al sepa ado .
Componen
Alimen ació
Caps
Cues
Me anol [kmol/h]
81,90
8,16
73,74
H2O [kmol/h]
0.02
0
0.02
H2 [kmol/h]
0,10
0,10
0
CO [kmol/h]
0.03
0.03
0
CO2 [kmol/h]
5,43
5,23
0,19
Es an anàlisis sob e l’e ec e de la cale acció en la sepa ació.
Memò ia
56
Figu a 4.18. E ec e de la empe a u a en el lux màssic pe du de me anol
En aques a ima ge es po obse a l’e ec e de la empe a u a en el cabal de me anol que es pe d pel
co en de caps del sepa ado . Es po eu e com a pa i de 55ºC aga a una endència exponencial. A
pa i de 65ºC su o el me anol gene a al eac o pe caps, mescla amb el CO2.
Seguin únicamen aques g à ic, es pod ia a i ma que a meno empe a u a, menys me anol pe du .
Pe ò ambé cal a alua la e iciència de la sepa ació, e lec ida en la pu esa del co en de me anol.
Figu a 4.19. E ec e de la empe a u a en la pu esa inal de me anol.
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
57
Com es po eu e en aques a al a igu a, a mesu a que dec eix la empe a u a, ambé dec eix la
pu esa, que augmen a ins es abili za -se a 65 ºC.
Pe aques a simulació s’ha escolli el alo de 25ºC, és la empe a u a que maximi za el cabal man enin
la pu esa pe sob e del 99%.
Memò ia
58
5. Anàlisi de l’impac e ambien al
L’impac e ambien al és un aspec e onamen al a conside a en el desen olupamen de qualse ol
p ojec e indus ial, especialmen en el con ex ac ual de ansició ene gè ica i sos enibili a . Aques
capí ol é com a objec iu a alua els impac es ambien als associa s al desen olupamen i execució del
p ojec e, així com iden i ica els iscos i limi acions que poden de i a -se de la se a implemen ació.
L’anàlisi es di idi à en es apa a s: p ime amen , s’es udia à l’impac e ambien al du an el
desen olupamen del eball acadèmic; en segon lloc, s’anali za à l’execució del p ojec e des d’una
pe spec i a mediambien al; i, inalmen , s’examina an els possibles iscos i es iccions ambien als que
es poden dona de mane a imp e is a du an l’execució del p ojec e. Aques anàlisi in eg al pe me à
iden i ica opo uni a s de millo a i ga an i que el p ojec e es desen olupi de mane a sos enible i
espec uosa amb el medi ambien .
5.1. Desen olupamen del eball
Pe es udia l’impac e ambien al gene a du an el desen olupamen del eball, s’ha anali za les
emissions de diòxid de ca boni que s’han allibe a a l’a mos e a du an aques .
5.1.1. Ús de l’o denado
L’ús de l’o denado , eina imp escindible pe al de eali za ece ca i la memò ia eque eix d’una
connexió a la xa xa elèc ica i consumeix ene gia.
Cal e una sè ie d’es imacions pe al d’ob eni un nomb e exac e:
• Es suposen 600 ho es d’ús, les es able es pe la no ma i a EEBE pe el eball. Segu amen no
o es s’han dedica a l’ús d’o denado , pe ò pe al de eni un ac o de segu e a s’assumeix
així.
• Cal oba la po ència de l’apa ell que s’ha e ana . En aques cas 0.2 kW
• Es p en la dada de 0.104 kg de CO2 emesos pe cada kWh (Elec ici y Maps, 2025).
Pe an :
0.2 𝑘𝑊·600 ℎ· 0.104𝑘𝑔/(1 𝑘𝑊ℎ)=12.48 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
59
5.2. Implemen ació del eball
Aques p ojec e in es iga la simulació d’una plan a de p oducció de me anol a pa i de la sín esi
d’hid ogen gene a d’un elec oli zado alcalí i de diòxid de ca boni cap u a . En aques apa a es a à
l’anàlisi de l’impac e ambien al quan la plan a es dugui a e me.
El disseny del p ojec e ind ia un impac e posi iu, doncs busca con ibui a la desca boni zació de la
indús ia química, ap o i an l’ús d’ene gia eno able pe alimen a l’elec òlisi de l’aigua i eu ili zan
CO2 cap u a pe edui les emissions globals. To i l’a an a ge ambien al d’aques sis ema, cal anali za
de alladamen els impac es ambien als associa s al seu uncionamen pe al de ga an i -ne la
sos enibili a .
5.2.1. Consum de ma è ies p ime es
L’alimen ació de la plan a és CO2 cap u a , que é un impac e posi iu al medi ambien ; i un cabal
d’aigua pe l’elec oli zado .
Aques cabal és de 22.11 m3/h. Pe an el p ojec e ind ia una pe jada híd ica de 192720 m3 al cap de
l’any.
En quan al CO2, el consum és de 4401 kg/h. Això es adueix a 38552.7 ones anuals de diòxid de
ca boni cap u a .
També cal eni en comp e el diòxid de ca boni que s’eme a la sepa ació inal pe la pu i icació de
me anol. El cabal màssic és de 493.2 kg/h CO2, que a l’any es adueix en 4320.4 ones.
5.2.2. Consum d’ene gia
En quan al consum ene gè ic i la se a pe jada de ca boni associada es a un càlcul pe sabe quina
po ència necessi a la plan a.
La po ència de l’elec oli zado no es é en comp e pe aques càlcul, doncs l’ene gia pe alimen a -lo
e de on s eno ables.
• Consum de la p ime a e apa del p océs - P oducció de gas de sín esi = 6468.5 kW
• Consum de la segona e apa del p océs – Sín esi de me anol = 5607.3 kW
• Consum de la e ce a e apa del p océs – Pu i icació del p oduc e = 9541.8 kW
La pe jada de ca boni associada a aques es dades és:
Memò ia
60
6468.5+5607.3+9541.8=21617.6𝑘𝑊
ℎ·24ℎ
1 𝑑𝑖𝑎·365 𝑑𝑖𝑒𝑠
1 𝑎𝑛𝑦 =189370176 𝑘𝑊/𝑎𝑛𝑦
189370176 𝑘𝑊·(0.104 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂_2)/1𝑘𝑊·1𝑡/1000𝑘𝑔=19694.4 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑠
5.2.3. Resum de les emissions ambien als
Taula 21: Emissions de CO2.
Emissions de CO2 [ /any]
24014.8
Cap u a de CO2 [ /any]
38552.7
Balanç d’emissions [ /any]
-14537.86
Es po eu e en aques a aula com el balanç d’emissions de CO2 és nega iu. Això e lec eix l’impac e
posi iu que é el p ojec e al medi ambien .
5.3. Riscos i limi acions
Les limi acions de l’anàlisi ambien al del p ojec e es oben p incipalmen als impac es de ma e ials
ísics, com les columnes, comp esso s o eac o s. No s’ha es ima les emissions del anspo i la
ab icació d’aques es als càlculs.
Cald ia a alua ambé la implemen ació d’un sis ema d’in eg ació ene gè ica, el qual pod ia edui
l’impac e ambien al del consum elèc ic.
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
61
6. Anàlisi econòmic
Un al e pa àme e que cob a especial elle ància a l’ho a de a alua un p ojec e indus ial és la
iabili a econòmica. Aques eball no es cen a en el disseny de la plan a, si no en la plani icació i
disseny d’aques a, o i així es a à una p ime a ap oximació simpli icada al cos que ind ia el p ojec e
si es dugués a cap.
6.1. Desen olupamen del eball de inal d’es udis
Pe al de en end e el cos econòmic del desen olupamen del eball de inal d’es udis es poden
conside a els cos os humans i ma e ials.
Els cos os ma e ials es poden esumi en la llicència del p og ama u ili za .
• Cos de la eno ació d’ASPEN HYSYS pe una uni e si a : 2450€ pe 10 llicències (Camacho
2011, 45)
L’ús d’una llicència pe an oscil·la al ol an de 245€.
En quan a cos os humans, es p en com a ap oximació d’ho es dedicades les conside ades pel
p og ama uni e si a i de l’EEBE (600h). En quan al sala i pe ho a de l’au o del eball es p en com a
alo ep esen a iu el sala i mínim obliga o i d’un es udian de p àc iques de l’EEBE (8€/h) (Escola
d’Enginye ia de Ba celona Es ).
Pe an el esum és:
Taula 22: Cos os ma e ials i humans del desen olupamen del eball.
Cos os ma e ials [€]
245
Cos os humans [€]
4800
To al [€]
5045
6.2. Execució del p ojec e
Pe al de quan i ica la despesa econòmica que suposa ia la plan a de sín esi de me anol desc i a al
eball es ind an en comp e an els cos os d’equipamen com la despesa elèc ica.
Memò ia
68
Taula 29: Resum dels cos os d'in e sió.
Ope ació
Cos [€]
Comp esso s
1370000
Cale ac o s
322000
Elec oli zado
18700000
Reac o
9279746
Columna
321829
Flash
72808
To al d’In e sió
30066383
El cos o al d’in e sió de la plan a és de 30.06 M d’eu os.
6.2.2. Cos os d’ope ació
Els cos os d’ope ació de cada ope ació es calcula an enin en comp e el seu consum [kWh] i
mul iplican -lo pel p eu d’aques a elec ici a .
El p eu de l’elec ici a segons dades publicades pel Minis e i de Indús ia, Come ç i Tu isme d’Espanya
es quan i ica en 0,104 €/kWh (Minis e io de Indús ia, 2024)pe usos indus ials. No es é en comp e
el consum de l’elec oli zado , ja que, com s’ha indica an e io men , aques es subminis a mi jançan
ene gia eno able au ogene ada, i la se a ob enció queda o a de l’abas del eball.
Taula 30: Cos os d'ope ació de la plan a.
Ope ació
Consum [kWh]
Cos [€/h]
Cos [€/any]
Comp esso s
1563.1
162.6
1424376
Cale ac o s
4591.2
477.5
4182900
Re ige ado s
3875.3
403.0
3530280
Reac o
2668
277.5
2430900
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
69
Columna
6189
643.7
5638812
Flash
2731
284.024
2488050
To al
18886.6
1964.2
19694497
Tal i com es po obse a en la igu a supe io , els cos os elèc ics d’ope ació de la plan a es
quan i iquen en 19.69 M d’eu os.
6.2.3. Cos os de ma e ials
Pe calcula els cos os dels ma e ials de la plan a s’anali zen els co en s que s’in odueixen en aques a.
Es po obse a que l’únic lux d’en ada que es conside a en aques es udi es un co en d’aigua de
22070 kg/h, men e que un lux de CO2 ambé en a a la plan a pe ò queda o a de l’abas d’aques
anàlisi. Pe de e mina el cos de l’aigua es ce ca el seu p eu, segons l’Agència Ca alana de l’Aigua
(ACA). Aques a alo a el p eu uni a i del cànon d’aigua d’us indus ial en 0.814 €/m3 d’aigua.
En la següen aula es p esen a un esum:
Taula 31: Cos os de l'aigua.
Consum [m3/h]
Consum [m3/any]
P eu anual(+10% IVA)
22.11
193683.6
213051
6.2.4. Ing essos
Pe al de e i ica el balanç econòmic s’in es iga el p eu de la ona de me anol e d. Segons on s com
l’Agencia In e nacional d’Ene gies Reno ables (IRENA), els cos os de p oducció pe ona de me anol
e d es oben en un ang en e 780 i 1562€. Aques p ojec e p odueix 2.6 ones pe ho a, el que
suposa una p oducció de 23135 ones a l’any. Excloen l’amo i zació, el cos de p oducció pe ona de
me anol e d d’aques a plan a és de 958.07€.
Memò ia
70
Taula 32: Ing essos pe en a de me anol.
P oducció anual
[ ones/any]
P eu me anol (2015)
[€/ ona]
Ing essos [€/any]
23135
550
12724338
El p eu de en a de me anol es oba en e 400 i 800€ la ona segons (Bello i e al., 2017). Això implica
pè dues signi ica i es pe aques a plan a.
6.2.5. Balanç econòmic
Taula 33: Resum dels càlculs econòmics.
CAPEX [€]
OPEX [€/any]
Ing essos [€/any]
Bene icis [€/any]
30066383
19907548
11428285
-7183210
El balanç econòmic p esen a es cla amen nega iu, pe an es pod ia conclou e que la plan a no és
iable. Pe un eball u u cald ia es udia la op imi zació del p océs, pe al de edui els cos os
ope acionals i augmen a la p oducció anual de me anol.
6.3. Riscos i limi acions
La p incipal limi ació iden i icada en l’anàlisi econòmic adica en l’es a ac ual de desen olupamen de
la ecnologia pe a la p oducció de me anol a pa i d’aques p océs. A ho es d’a a, el p océs escolli
no p esen a una iabili a ealis a. Cal des aca , pe ò, que l'objec iu del eball no inclou l'op imi zació
de la plan a, un p océs que, en un u u , pod ia edui de mane a signi ica i a els ma ges de pè dua.
Pel que a als iscos, aques s no es con emplen en aques con ex , ja que es conside a que, amb el
emps, els cos os associa s al p océs disminui an g àcies al majo coneixemen i in es igació de la
ecnologia.
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
71
7. Pun de is a social
7.1. Desen olupamen del eball de i d’es udis
L’execució d’aques eball ha gene a un impac e no able an en l'es udian com en el di ec o . En
p ime lloc, pe a l’es udian , ha suposa una p esa de consciència sob e els desa iamen s i les
opo uni a s que p esen a la ansició cap a p ocessos més sos enibles, com la p oducció de me anol
e d, així com la complexi a dels p ocessos ecnològics i econòmics implica s. Pe a la di ecció del
p ojec e, ha es a una opo uni a pe supe isa el desen olupamen d'una p opos a inno ado a i
conèixe més a ons els úl ims a enços ecnològics en la p oducció de me anol.
7.2. Execució del p ojec e
La posada en ma xa d’aques p ojec e de p oducció de me anol e d ind ia un impac e di ec e en
di e sos col·lec ius. Els p opie a is o ges o s de la plan a se ien els p ime s bene icia s, ja que la
implan ació d’un p océs inno ado pod ia posiciona -los com a líde s en sos enibili a i e iciència
ene gè ica. Els eballado s eu ien millo es en les condicions labo als associades amb la
implemen ació de ecnologies més mode nes i espec uoses amb el medi ambien .
Els p o eïdo s d’ene gia i ma è ies p ime es pod ien expe imen a un augmen de la demanda, men e
que els consumido s inals, al se usua is de p oduc es de i a s del me anol, pod ien bene icia -se de
p oduc es més sos enibles. To i així, ambé es p esen en possibles epe cussions socials, com la
c eació de llocs de eball especí ics amb o mació especiali zada, que implica ia una equali icació dels
eballado s.
7.3. Riscos i limi acions
Els iscos socials associa s amb la posada en ma xa del p ojec e inclouen possibles impac es nega ius
en les comuni a s p ope es, com a a la gene ació de més emissions du an la ase de cons ucció o
possibles acciden s labo als si no s’adop en p o ocols de segu e a adequa s.
La manca de ce esa sob e la iabili a econòmica del p océs, deguda a les limi acions ac uals de la
ecnologia, cons i ueix una de les p incipals limi acions en la p e isió dels seus impac es socials. A
mesu a que els cos os es agin eduin i el p océs es agi op imi zan , aques es limi acions pod ien se
alleuge ides, pe ò els iscos associa s a la in e sió i a l’e olució del me ca enca a ep esen en
ince eses impo an s.
Memò ia
72
8. Conclusions
Un cop comple a aques es udi es poden ex eu e les següen s conclusions en elació amb els
objec ius plan eja s.
L’anàlisi eali za ha posa de mani es que la p oducció de me anol mi jançan on s eno ables és una
al e na i a p ome edo a pe la desca boni zació química, pe ò enca a es eu limi ada pel cos de
p oducció de l’hid ogen e d. To i així, la p oducció de me anol a pa i de CO2 i H2 ep esen a una
opció iable.
S’ha aconsegui de ini i implemen a amb èxi un model cinè ic ealis a pe les eaccions ca alí iques
implicades en el p océs. Aques model s’ha e i ica i alida sa is ac ò iamen , pe me en ep odui
de mane a idel el compo amen del p océs dins el simulado .
La in eg ació del model d’elec òlisi al simulado ha es a sa is ac ò ia. S’ha e i ica la se a iabili a
ècnica pe p odui hid ogen e d a pa i d’ene gia elèc ica.
L’anàlisi ambien al ha e idencia que el p océs es udia po con ibui signi ica i amen a la educció
d’emissions de diòxid de ca boni, semp e que l’ene gia elèc ica u ili zada pe l’elec òlisi p o ingui de
on s eno ables. Malg a això s’ha de ec a que la demanda ene gè ica global del p océs és ele ada,
e que eque eix es a ègies pe millo a -ne l’e iciència.
L’anàlisi econòmic ha mos a que, en l’es a ac ual de desen olupamen de la ecnologia, el p océs de
p oducció de me anol e d es udia p esen a limi acions de iabili a econòmica a causa dels ele a s
cos os associa s a la p oducció d’hid ogen e d i al consum ene gè ic del sis ema. To i així, es p e eu
que amb l’e olució ecnològica i la educció de cos os d’ene gies eno ables aques a si uació pod ia
millo a signi ica i amen en el u u . Queda com a eball u u implemen a sis emes d’in eg ació
ene gè ica en el p océs, que pe me ien edui en g an mesu a el cos ene gè ic, i el desen olupamen
d’una eina d’au oma i zació de cos os, que en pe me i e l’a aluació de mane a senzilla i espec uosa
amb el emps de qui ho in es igui.
En conclusió, el p esen eball ha apo a una base sòlida pe en end e la iabili a ècnica, ambien al
i econòmica de la p oducció de me anol e d a pa i de CO2 i hid ogen e d. To i les limi acions
iden i icades, els esul a s ob ingu s o e eixen un pun de pa ida aluós pe a u u s es udis
d’op imi zació i pe la po encial implemen ació indus ial d’aques a ecnologia com a ia pe a la
desca boni zació de la indús ia.
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
73
Bibliog a ia
AGNYT, Rajesh M and TAKOUDIS’, Ch ls os G, 1985. Syn hesis o Me hanol om Ca bon Monoxide and
Hyd ogen o e a Coppe -Zinc Oxide-Alumina Ca alys . .
ANDERSON, Thomas R., HAWKINS, Ed and JONES, Philip D., 2016. CO2, he g eenhouse e ec and
global wa ming: om he pionee ing wo k o A henius and Callenda o oday’s Ea h Sys em Models.
Endea ou . Vol. 40, no. 3, pp. 178–187. DOI 10.1016/j.endea ou .2016.07.002.
BELLOTTI, D. e al., 2017. Feasibili y s udy o me hanol p oduc ion plan om hyd ogen and cap u ed
ca bon dioxide. Jou nal o CO2 U iliza ion. Vol. 21, pp. 132–138. DOI 10.1016/j.jcou.2017.07.001.
BISOTTI, Filippo e al., 2022. Impac o Kine ic Models on Me hanol Syn hesis Reac o P edic ions: In
Silico Assessmen and Compa ison wi h Indus ial Da a. Indus ial and Enginee ing Chemis y Resea ch.
Vol. 61, no. 5, pp. 2206–2226. DOI 10.1021/acs.iec .1c04476.
BOZZANO, Giulia and MANENTI, Fla io, 2016a. E icien me hanol syn hesis: Pe spec i es, echnologies
and op imiza ion s a egies. Else ie L d. P og ess in Ene gy and Combus ion Science 56.
DOI 10.1016/j.pecs.2016.06.001.
BOZZANO, Giulia and MANENTI, Fla io, 2016b. E icien me hanol syn hesis: Pe spec i es, echnologies
and op imiza ion s a egies. Else ie L d. P og ess in Ene gy and Combus ion Science 56.
DOI 10.1016/j.pecs.2016.06.001.
BUSSCHE, K M Vanden and FROMENT, G F, 1996. A S eady-S a e Kine ic Model o Me hanol Syn hesis
and he Wa e Gas Shi Reac ion on a Comme cial Cu/ZnO/Al 2 O 3 Ca alys . .
CARBERRY, James J e al. McG aw-Hill Chemical Enginee ing Se ies Edi o ial Ad iso y Boa d Building
he Li e a u e o a P o ession. .
CHEN, L. e al., 2011. Op imiza ion o Me hanol Yield om a Lu gi Reac o . Chemical Enginee ing and
Technology. Vol. 34, no. 5, pp. 817–822. DOI 10.1002/cea .201000282.
CHINCHEN, GC e al. Re iew Syn hesis o Me hanol Pa 1. Ca alys s and Kine ics. .
EUROPEAN COMISSION, 2020. A hyd ogen s a egy o a clima e-neu al Eu ope [online]. B ussels.
Re ie ed om : h ps://www.eu2018.a /calenda -e en s/poli ical-e en s/BMNT-
Annexos
74
DALENA, F ancesco e al., 2018. Me hanol P oduc ion and Applica ions: An O e iew. In : Me hanol:
Science and Enginee ing, pp. 3–28. Else ie . ISBN 9780444640109. DOI 10.1016/B978-0-444-63903-
5.00001-7.
GRAAF, G H e al., 1986. CHEMICAL EQUILIBRIA IN METHANOL SYNTHESIS. .
GRAAF, G.H. e al., 1988. KINETICS OF THE THREE PHASE METHANOL SYNTHESIS. In : Ten h
In e na ional Symposium on Chemical Reac ion Enginee ing, pp. 2161–2168. Else ie .
DOI 10.1016/b978-0-08-036969-3.50066-x.
KLIER, K e al., 1982. Ca aly ic Syn hesis o Me hanol om CO/H, IV. The E ec s o Ca bon Dioxide. .
LUYBEN, William L., 2010. Design and con ol o a me hanol eac o /column p ocess. Indus ial and
Enginee ing Chemis y Resea ch. Vol. 49, no. 13, pp. 6150–6163. DOI 10.1021/ie100323d.
MARKOWITSCH, Ch is oph, LEHNER, Ma kus and MALY, Ma kus, 2023. E alua ion o p ocess
s uc u es and eac o echnologies o an in eg a ed powe - o-liquid plan a a cemen ac o y. Jou nal
o CO2 U iliza ion. Vol. 70. DOI 10.1016/j.jcou.2023.102449.
MEGIA, Ped o J. e al., 2021. Hyd ogen P oduc ion Technologies: F om Fossil Fuels owa d Renewable
Sou ces. A Mini Re iew. Ame ican Chemical Socie y. Ene gy and Fuels 35.
DOI 10.1021/acs.ene gy uels.1c02501.
MINISTERIO DE INDÚSTRIA, 2024. PRECIO NETO DE LA ELECTRICIDAD PARA USO DOMÉSTICO Y USO
INDUSTRIAL. .
NESTLER, F. e al., 2020. Kine ic modelling o me hanol syn hesis o e comme cial ca alys s: A c i ical
assessmen . Chemical Enginee ing Jou nal. Vol. 394. DOI 10.1016/j.cej.2020.124881.
RAMACHANDRAN, Ram and MENONT, Raghu K, 1998. AN OVERVIEW OF INDUSTRIAL USES OF
HYDROGEN. .
SABA, Sayed M. e al., 2018. The in es men cos s o elec olysis – A compa ison o cos s udies om
he pas 30 yea s. Else ie L d. In e na ional Jou nal o Hyd ogen Ene gy 43.
DOI 10.1016/j.ijhydene.2017.11.115.
SCHMIDT, O. e al., 2017. Fu u e cos and pe o mance o wa e elec olysis: An expe elici a ion s udy.
In e na ional Jou nal o Hyd ogen Ene gy. Vol. 42, no. 52, pp. 30470–30492.
DOI 10.1016/j.ijhydene.2017.10.045.
Simulació d’un p océs d’ob enció de me anol pe elec òlisi i hid ogenació ca alí ica de CO2
75
SERRAT, Vicen e Roda. P ác ica: Gene ación de hid ógeno median e elec ólisis Guion-Más e
In e uni e si a io en Tecnologías de Hid ógeno. .
SHIVA KUMAR, S. and HIMABINDU, V., 2019. Hyd ogen p oduc ion by PEM wa e elec olysis – A
e iew. KeAi Communica ions Co. Ma e ials Science o Ene gy Technologies 2.
DOI 10.1016/j.mse .2019.03.002.
SHIVA KUMAR, S. and LIM, Hankwon, 2022. An o e iew o wa e elec olysis echnologies o g een
hyd ogen p oduc ion. Else ie L d. Ene gy Repo s 8. DOI 10.1016/j.egy .2022.10.127.
SLOTBOOM, Y. e al., 2020. C i ical assessmen o s eady-s a e kine ic models o he syn hesis o
me hanol o e an indus ial Cu/ZnO/Al2O3 ca alys . Chemical Enginee ing Jou nal. Vol. 389.
DOI 10.1016/j.cej.2020.124181.
TRATTNER, Alexande e al., 2021. Renewable Hyd ogen: Modula Concep s om P oduc ion o e
S o age o he Consume . Chemie-Ingenieu -Technik. Vol. 93, no. 4, pp. 706–716.
DOI 10.1002/ci e.202000197.
VAN-DAL, É e on Simões and BOUALLOU, Chakib, 2013. Design and simula ion o a me hanol
p oduc ion plan om CO2 hyd ogena ion. Jou nal o Cleane P oduc ion. Vol. 57, pp. 38–45.
DOI 10.1016/j.jclep o.2013.06.008.
VLLLA, Ple lulgl e al., 1985. 122. Kemblowskl, 2.; Dziubinskl, M. . Wlb .
XU, Jianguo and FROMENT, Gilbe , 1989. Me hane S eam Re o ming, Me hana ion and Wa e -Gas
Shi : 1. In insic Kine ics. DOI 10.1002/aic.690350109.
YORO, Kel in O. and DARAMOLA, Michael O., 2020. CO2 emission sou ces, g eenhouse gases, and he
global wa ming e ec . In : Ad ances in Ca bon Cap u e: Me hods, Technologies and Applica ions,
pp. 3–28. Else ie . ISBN 9780128196571. DOI 10.1016/B978-0-12-819657-1.00001-3.
ZHANG, Xiongwen e al., 2015. Towa ds a sma ene gy ne wo k: The oles o uel/elec olysis cells and
echnological pe spec i es. Else ie L d. In e na ional Jou nal o Hyd ogen Ene gy 40.
DOI 10.1016/j.ijhydene.2015.03.133.
ZHEN, Xudong and WANG, Yang, 2015. An o e iew o me hanol as an in e nal combus ion engine uel.
Else ie L d. Renewable and Sus ainable Ene gy Re iews 52. DOI 10.1016/j. se .2015.07.083.
Annexos
76
Po as Tello, F ancesc Xa ie . 2024. “Simulación de Una Plan a de Re alo ización de CO2 Y P oducción
de Hid oca bu os Con Hid ógeno Ve de.” T eball Final de G au, UPC, Escola d'Enginye ia de Ba celona
Es , Depa amen d'Enginye ia Química. h p://hdl.handle.ne /2117/420769.
Camacho, Ca los I. Capí ol 7: El ol de las compu ado as.
h ps://ca a ina.udlap.mx/u_dl_a/ ales/documen os/leip/camacho_c_i/capi ulo7.pd .
Escola d'Enginye ia de Ba celona Es . "Compensació econòmica."
h ps://eebe.upc.edu/ca/es udis/p ac iques-academiques-ex e nes/compensacio-economica.
