Desarollo del modelo, simulación y análisis tecnoeconómico de un proceso de coelectrólisis para la producción de gas de síntesis a partir de CO2

Abstract

[ES] Este proyecto es una contribución a las tecnologías de descarbonización y reaprovechamiento del dióxido de carbono producido en los procesos de combustión. La tecnología emergente de celdas de óxido sólido (SOEC) es capaz de llevar a cabo la coelectrólisis de H2O y CO2 a alta temperatura mediante el intercambio iónico de oxígeno. En este proyecto se ha estudiado la viabilidad tecnoeconómica del proceso químico de obtención de gas de síntesis de alta pureza mediante coelectrólisis a partir de la utilización de una corriente de carbono capturado. Con la utilización de energía eléctrica renovable este proceso se plantea como una posible ruta hacia la descarbonización, permitiendo adicionalmente producir productos químicos de valor añadido de origen no fósil.

En primer lugar, se desarrolló en Matlab un modelo matemático estacionario de parámetros concentrados de las celdas electroquímicas SOEC. Con un análisis basado en el enfoque estadístico de diseño de experimentos se pudo cuantificar el efecto de las variables y sus interacciones sobre el comportamiento de las celdas en el punto termoneutro. Se estudió la influencia de las variables de operación: temperatura, composición y caudal de la alimentación, así como el efecto de la resistencia específica de las celdas (ASR).

En segundo lugar, se creó el modelo estacionario del proceso de coelectrólisis en Aspen HYSYS, conectando el modelo de celdas desarrollado con el simulador mediante el protocolo Cape-Open. El modelo integrado térmicamente fue evaluado en múltiples condiciones de operación: temperatura y fracción de hidrógeno en la alimentación para diferentes valores de ASR. Con los datos de todos los equipos del proceso se calculó el coste de inversión para diferentes condiciones simuladas. Finalmente, teniendo en cuenta criterios tecnoeconómicos, se calculó el coste de operación y se estudió la viabilidad del proceso en diferentes escenarios para las condiciones que maximizaban la eficiencia energética del proceso.

[EN] This project is a contribution to technologies for decarbonisation and reuse of carbon dioxide produced in combustion processes. The emerging technology of solid oxide cells (SOEC) is capable of carrying out the co-electrolysis of H2O and CO2 at high temperature by means of oxygen ion exchange. This project has studied the techno-economic feasibility of the chemical process of obtaining high purity synthesis gas by means of co-electrolysis using a captured carbon stream. With the use of renewable electrical energy, this process is proposed as a possible route to decarbonisation, additionally allowing the production of value-added chemical products of nonfossil origin.

Firstly, a lumped stationary mathematical model of the SOEC electrochemical cells was developed in Matlab. With an analysis based on the statistical approach of design of experiments, it was possible to quantify the effect of the variables and their interactions on the behaviour of the cells at the thermoneutral point. The influence of the operating variables: temperature, composition and flow rate of the feed, as well as the effect of the specific resistance of the cells (ASR) were studied.

Secondly, the stationary model of the co-electrolysis process was created in Aspen HYSYS by connecting the developed cell model to the simulator using the Cape-Open standard. The thermally integrated model was evaluated under multiple operating conditions: temperature and hydrogen fraction in the feed for different ASR values. With the data of all process equipment, the investment cost was calculated for different simulated conditions. Finally, taking into account techno-economic criteria, the operating cost was calculated and the feasibility of the process was studied in different scenarios for conditions that maximised the energy efficiency of the process.

[CA] Este projecte és una contribució a les tecnologies de descarbonització i reaprofitament del diòxid de carboni produït en els processos de combustió. La tecnologia emergent de cel·les d’òxid sòlid (SOEC) és capaç de dur a terme la coelectròlisi d’H2O i CO2 a alta temperatura mitjançant l’intercanvi iònic d’oxigen. En este projecte s’ha estudiat la viabilitat tecnoeconòmica del procés químic d’obtenció de gas de síntesi d’alta puresa mitjançant coelectròlisi a partir de la utilització d’un corrent de carboni capturat. Amb la utilització d’energia elèctrica renovable este procés es planteja com una possible ruta cap a la descarbonització, permetent addicionalment produir productes químics de valor afegit d’origen no fòssil. En primer lloc, es va desenvolupar en Matlab un model matemàtic estacionari de paràmetres concentrats de les cel·les electroquímiques SOEC. Amb una anàlisi basada en l’enfocament estadístic de disseny d’experiments es va poder quantificar l’efecte de les variables i les seues interaccions sobre el comportament de les cel·les en el punt termoneutre. Es va estudiar la inf luència de les variables d’operació: temperatura, composició i cabal de l’alimentació, així com l’efecte de la resistència específica de les cel·les (ASR). En segon lloc, es va crear el model estacionari del procés de coelectròlisi en Aspen HYSYS, connectant el model de cel·les desenvolupat amb el simulador mitjançant el protocol Cape-Open. El model integrat tèrmicament va ser avaluat en múltiples condicions d’operació: temperatura i fracció d’hidrogen en l’alimentació per a diferents valors d’ASR. Amb les dades de tots els equips del procés es va calcular el cost d’inversió per a diferents condicions simulades. Finalment, tenint en compte criteris tecnoeconòmics, es va calcular el cost d’operació i es va estudiar la viabilitat del procés en diferents escenaris per a les condicions que maximitzaven l’eficiència energètica del procés.