Ítem
Acceso Abierto
Modelado de un sistema piloto de generación de hidrógeno verde mediante electrólisis de aguas residuales, utilizando energía solar fotovoltaica para el aprovechamiento de recursos hidricos en campos petroleros
Título de la revista
Autores
Rozo Cañón, Juan Carlos
Ruíz Rincón, Hayder Ramiro
Fecha
2023-08-25
Directores
Celeita Rodríguez, David Felipe
ISSN de la revista
Título del volumen
Editor
Universidad del Rosario
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Resumen
La búsqueda de energías alternas para la descarbonización global se caracteriza por tener variados frentes de acción. En este proyecto específico, presenta una fuerte carga y motivación de carácter ambiental que busca atacar el problema desde dos perspectivas: primera, la reutilización de desechos industriales, más específicamente aguas residuales de producción de campos petroleros, y segunda, la búsqueda de la obtención del hidrógeno verde como vector energético que actualmente no se capta de forma convencional. Este proyecto tiene como objetivo modelar por medio de un software (Matlab®), un sistema de producción de hidrógeno verde aplicando electrolisis al agua de producción de campos petroleros que se disponen en el entorno aledaño a la ubicación de estos o que se son recirculados para pozos de inyección, recurso actualmente desaprovechado, con la finalidad de plantear su prefactibilidad técnica y económica, para posteriormente utilizarlo como una herramienta base de redimensionamiento del proceso en diferentes proyectos que cuenten con aguas residuales como subproducto de sus operaciones, metodología que aplica varias etapas de profundización relatadas con detalle pasando por la selección del modelo apropiado, como de la instrumentación relacionada con el proyecto, hasta llegar a un análisis de sensibilidad que permitirá la selección final de un electrolizador con condiciones aproximadas a aquellas teóricas arrojadas por el modelo. Los sistemas que conforman el modelado inician desde la entrada de agua residual de la planta de tratamiento de aguas del campo, hasta la salida de la producción de hidrógeno verde, lo que constituye el sistema denominado “electrolizador”, el sistema fotovoltaico de generación de la electricidad, la planta de tratamiento de aguas residuales, los sistemas de almacenamiento y transporte del hidrógeno verde quedan propuestos para futuras fases del proyecto. La viabilidad económica del proyecto comprende la producción rentable de hidrógeno verde a partir de recursos antes desaprovechados, y de los que se dispone ampliamente en diferentes industrias compatibles con el modelo. El proyecto arroja interesantes resultados que demuestran la capacidad teórica de producción de hidrógeno del modelo, las cuales están por compararse con casos reales para verificar la proximidad de las variables mecánicas y ambientales aplicadas dentro del modelo matemático y su incidencia real en la producción del recurso, arrojando viabilidades económicas dependiendo de la selección de varios equipos disponibles en el mercado los cuales fueron analizados dentro del proyecto. Finalmente, este hidrógeno producido se pretende utilizar como sistema de generación en combinación con gas natural en los campos de producción, buscando un sistema de autogeneración que facilite el proceso de extracción de hidrocarburo de forma “verde” y sin la dependencia de combustibles externos y que impactan en la huella de carbono.
Abstract
Non-conventional energy research for global decarbonization is characterized by having several challenges. This project has a strong environmental - aim where modelling is the key toto counteract the contamination problems throughout two main perspectives: First, the industrial waste reutilization, specifically production waters from oil/gas fields, and second, the search and viability of green hydrogen as energetical vector, which is currently obtained through unconventional methods. The contribution of this projects starts with a general MATLAB model of a Green Hydrogen Production System, which applies water electrolysis methods derived from production of oil fields with high water cuts. Such reservoirs are usually disposed of, nearby to well locations or sometimes recirculated to injection wells. The water resource is mostly unused, therefore the aim of this project proposes a methodological approach after the simulation model, with a technical and economical prefeasibility, in order to implement it as a dimensioning tool of the electrolytical process to similar projects with residual and industrial waters as subproduct of their operations, methodology applying several deepening techniques going through the model selection, and proper instrumentation which serves the purpose of lining the project to the electrolytic subject, and finally producing a sensitivity analysis tweaking the electrolyzer to desired mechanical and environmental conditions. The systems that structure the modeling start from the input of wastewater from the field water treatment plant to the output of green hydrogen production, which is a sub-set od modules known as the "electrolyzer". The dimensioning of the photovoltaic system of electricity generation, the wastewater treatment plant, storage systems and transportation of green hydrogen are proposed for future work. The economic feasibility of the project includes the profitable production of green hydrogen from previously untapped resources, which are widely available in different industries compatible with the proposed model. The Project results contemplate interesting outcome scenarios, showing theoretical hydrogen production capacity depending on solar irradiance, which are yet to be compared with real results in order to verify mechanical and environmental variable proximities within the mathematical model and their real impact in resource production, with several economical viabilities depending on final equipment selection presenting several electrolytical feasibilities. The systems belonging to the model start at the Residual Waters Treatment Plant installed at the production fields, the photovoltaic apparel which covers the process energy needs, the electrolyzer, and finally, the Green Hydrogen production that, in first instance, is pretended to be immediately used in situ as being combined or not with natural gas for posterior transport. At the end, an economic viability assessment will be carried out comprehending the profitable production of H2 from previously unused resources, which are massively available at analogous industries compatible with our model.
Palabras clave
Electrólisis , Hidrógeno Verde , Modelado MATLAB , Electrólisis PEM
Keywords
Electrolysis , Green Hydrogen , PEM Electrolysis , MATLAB Model
