Simulación y estudio de viabilidad de un sistema Power-to-Gas

Abstract

Aquest Treball de Fi de Grau se centra en el disseny i l'anàlisi d'una planta Power-to-Gas (P2G) orientada a la producció de metà sintètic (CH₄) mitjançant la valorització de l'excedent d'energia solar fotovoltaica. El sistema combina hidrogen verd (H₂), produït a través d’electròlisi alcalina, amb diòxid de carboni (CO₂) capturat d'una central de cicle combinat per generar un gas emmagatzemable compatible amb la infraestructura gasista existent a Espanya. El sistema Power-to-Gas ha estat modelat i simulat utilitzant el programari oficial Aspen HYSYS®, cobrint tot el procés des de la captura de CO₂ (mitjançant absorció) fins a la metanació per a la síntesi de metà. Per simplificar la dimensió de la planta, s’ha adoptat un enfocament simplificat, evitant la variabilitat estacional i basant el funcionament en hores equivalents a plena càrrega. El sistema permet una producció anual de 26,9 tones de metà (415 GWh), assolint una eficiència energètica del 36,7%, que s’incrementa fins al 53,7% després d’implementar una estratègia d’integració energètica basada en una xarxa d’intercanviadors de calor per a la recuperació tèrmica. Aquesta optimització redueix significativament el consum de vapor (en un 65,7%) i elimina la necessitat d’aigua de refrigeració externa en la fase de captura. El sistema aconsegueix una eficiència global ‘de principi a fi’ del 12,64%, des de l’entrada d’energia solar fins a l’obtenció del gas final. L’anàlisi d’emissions (Àmbits 1 i 2) mostra un balanç anual net negatiu de -33.969,7 tones de CO₂ equivalent, fet que converteix la planta en un sistema amb capacitat de captura neta de carboni. Finalment, l’avaluació econòmica demostra que, un cop optimitzada energèticament, la planta és econòmicament viable. La notable reducció dels costos operatius anuals compensa l’increment del CAPEX associat a la integració tèrmica. A més, s’ha realitzat una anàlisi de rendibilitat addicional que contempla els costos derivats dels processos d’encesa i aturada, amb

Este Trabajo de Fin de Grado aborda el diseño y análisis de una planta ‘Power to Gas’ (P2G) a la producción de metano sintético (CH₄) mediante la valorización de excedentes de energía solar fotovoltaica. El sistema combina hidrógeno verde (H₂), producido a partir de electrólisis alcalina, con dióxido de carbono (CO₂) capturado de una central de ciclo combinado para generar un gas almacenable y compatible con la infraestructura gasista existente, en el contexto español. Se modela el sistema Power to Gas y realiza la simulación mediante el software oficial Aspen HYSYS® desde el dimensionado de la etapa de captura de CO2 mediante absorción a la etapa de metanización para la síntesis de metano. Para facilitar el dimensionamiento del sistema, se ha optado por una aproximación simplificada donde evitamos la estacionalidad según los factores externos que afectan a la producción de las energías renovables en la que el funcionamiento de la planta se basa en las horas de funcionamiento equivalentes a potencia pico. El sistema permite una producción anual de 26,9 toneladas de metano (415 GWh), alcanzando un rendimiento energético del 36,7 %, que mejora hasta el 53,7 % después de plantear la integración energética con una propuesta de red de intercambiadores para la recuperación de calor. Esta mejora reduce significativamente el consumo de vapor un -65,7 % y elimina el uso de agua de refrigeración externa en la etapa de captura. El sistema alcanza una eficiencia global ‘end to end’ del 12,64 % desde la captación solar hasta la producción de gas final. El análisis de emisiones (alcances 1 y 2) refleja balance global de emisiones neto negativo de -33.969,7 t CO₂ eq/año, lo que convierte a la planta en un sistema con capacidad de captura de carbono. Finalmente, el estudio económico demuestra que, tras la optimización energética, el proyecto es rentable, con una importante reducción del coste operativo anual que compensa el incremento del CAPEX asociado a la integración térmica y s

This Final Degree Project focuses on the design and analysis of a Power-to-Gas (P2G) plant aimed at producing synthetic methane (CH₄) through the valorization of surplus solar photovoltaic energy. The system combines green hydrogen (H₂), produced via alkaline electrolysis, with carbon dioxide (CO₂) captured from a combined cycle power plant to generate a storable gas compatible with the existing gas infrastructure in Spain. The Power-to-Gas system is modeled and simulated using the official Aspen HYSYS® software, covering the entire process from the CO₂ capture stage (via absorption) to the methanation stage for methane synthesis. To simplify system sizing, a streamlined approach has been adopted by avoiding seasonal variability and instead basing plant operation on equivalent full-load hours at peak power capacity. The system enables an annual production of 26.9 tons of methane (415 GWh), reaching an energy efficiency of 36.7%, which increases to 53.7% after implementing an energy integration strategy involving a heat exchange network for heat recovery. This optimization significantly reduces steam consumption by 65.7% and eliminates the use of external cooling water in the capture stage. The system achieves a global ‘end-to-end’ efficiency of 12.64%, from solar energy input to final gas output. The emissions analysis (Scopes 1 and 2) shows a net negative annual emission balance of -33,969.7 t CO₂-eq, effectively making the plant a carbon-capturing system. Finally, the economic assessment demonstrates that, following energy optimization, the project is financially viable. The significant reduction in annual operating costs offsets the increase in CAPEX associated with thermal integration. An additional profitability analysis was also carried out to account for costs related to start-ups and shutdowns, in order to better reflect the system’s economic performance under real operating conditions

This Final Degree Project focuses on the design and analysis of a Power-to-Gas (P2G) plant aimed at producing synthetic methane (CH₄) through the valorization of surplus solar photovoltaic energy. The system combines green hydrogen (H₂), produced via alkaline electrolysis, with carbon dioxide (CO₂) captured from a combined cycle power plant to generate a storable gas compatible with the existing gas infrastructure in Spain. The Power-to-Gas system is modeled and simulated using the official Aspen HYSYS® software, covering the entire process from the CO₂ capture stage (via absorption) to the methanation stage for methane synthesis. To simplify system sizing, a streamlined approach has been adopted by avoiding seasonal variability and instead basing plant operation on equivalent full-load hours at peak power capacity. The system enables an annual production of 26.9 tons of methane (415 GWh), reaching an energy efficiency of 36.7%, which increases to 53.7% after implementing an energy integration strategy involving a heat exchange network for heat recovery. This optimization significantly reduces steam consumption by 65.7% and eliminates the use of external cooling water in the capture stage. The system achieves a global ‘end-to-end’ efficiency of 12.64%, from solar energy input to final gas output. The emissions analysis (Scopes 1 and 2) shows a net negative annual emission balance of -33,969.7 t CO₂-eq, effectively making the plant a carbon-capturing system. Finally, the economic assessment demonstrates that, following energy optimization, the project is financially viable. The significant reduction in annual operating costs offsets the increase in CAPEX associated with thermal integration. An additional profitability analysis was also carried out to account for costs related to start-ups and shutdowns, in order to better reflect the system’s economic performance under real operating conditions.