Diseño y planificación óptimos de la producción de bioetanol a partir de maíz en argentina incluyendo análisis de ciclo de vida

Abstract

Se abordó la optimización económica y ambiental del sistema de producción de bioetanol a partir de maíz considerando diferentes zonas geográficas de Argentina. Se procuró identificar opciones sustentables para la integración de biocombustibles al sector del transporte vehicular. Se evaluaron tres tecnologías de producción: a) sistema convencional, utilizando electricidad y gas natural, b) sistema de cogeneración alimentado con gas natural, y c) sistema de cogeneración alimentado con rastrojo de maíz. El estudio abarcó la producción de materias primas hasta la valorización del co-producto y uso del bioetanol en mezclas etanol/nafta. Mediante la integración de Análisis de Ciclo de Vida y técnicas de Programación Matemática, formulando problemas de optimización del tipo MILP, se obtuvieron diseños óptimos para las funciones objetivo consideradas. Se resolvieron problemas de optimización de objetivo simple (ambiental y económico separadamente) y problemas multiobjetivo a través de curvas de Pareto. Se analizó la sensibilidad de las soluciones a ciertos parámetros críticos, particularmente precios y costos. Se evaluaron diferentes escenarios de inversión, demanda y disponibilidad de insumos. El modelo matemático permitió obtener la radicación y dimensionamiento óptimos de nuevas plantas productoras, centros de almacenamiento y puntos de venta y el número óptimo de unidades de transporte que minimizan el valor actual neto o el impacto ambiental para la estructura actual de vías de comunicación del país. Se incorporaron disyunciones lógicas para estimar la rentabilidad de plantas productoras de etanol en función de la escala de producción; más específicamente, de costos de inversión de los módulos de la planta (molienda, fermentación, destilación y tratamiento).

This thesis addresses the economic and environmental optimization of the bioethanol production system from corn considering different geographical areas of Argentina, trying to identify sustainable options for integrating biofuels to the vehicle transport sector. Three production technologies were examined: a) conventional system, using electricity and natural gas, b) cogeneration system fueled with natural gas, and c) cogeneration system fueled with corn stover. The study covered from the production of raw materials to the valorization of co-product and use of bioethanol in ethanol/gasoline blends. By integrating the Life Cycle Assessment methodology and Mathematical Programming techniques in mixed-integer linear (MILP) optimization problem formulations, optimal designs were obtained for the considered objective functions. Simple-objective (environmental and economic) optimization problems and multiobjective problems providing Pareto-type solutions were solved. Sensitivity analysis of model solutions to certain critical parameters, mainly prices and costs, was performed. Different investment, demand and resource availability scenarios were evaluated. The mathematical model allowed obtaining the optimal allocation and size of new production plants, storage and supplying facilities, and the optimal number of transport units that minimize the net present value or the environmental impact for the current country’s roads structure. Logical disjunctions were incorporated to the model to estimate the profitability dependence of ethanol plants on the production scale; more specifically, on investments required for each the plant section (grinding, fermentation, distillation and treatment).