DIMENSIONAMIENTO DE UN PROCESO PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO MEDIANTE CICLOS TERMOQUÍMICOS

Abstract

En la situación climática actual, la transición hacia un modelo energético limpio y renovable es uno de los desafíos más importantes. El hidrógeno es un vector energético de interés global, y de los procesos de producción existentes, el que emplea fuentes de energía renovables es el más interesante. Los ciclos termoquímicos cumplen este criterio, empleando óxidos no estequiométricos capaces de ser reducidos parcialmente, como perovskitas o ceria, y producir hidrógeno empleando agua y energía solar. El material seleccionado es una mezcla de perovskita, La0,8Al0,2NiO3, y CeO2. En el laboratorio se sintetizó en una proporción 50-50, y se realizaron diferentes pruebas para comprobar su correcta formulación. Después se le sometió a 6 ciclos de reducción y oxidación para comprobar su estabilidad y la producción de H2 confirmando la obtención de un material estable capaz de producir 5.02 cm3STP/gmaterial·ciclo cuando el material está en polvo y 8.06 cm3STP/gmaterial·ciclo cuando es conformado en forma de espuma macroporosa. En base a estos datos se dimensionó el proceso. Para el diseño del proceso se tomó una base de cálculo de 3.000 kilos de material ciclable. Se dispone de dos reactores para dotar de continuidad a la planta, pudiendo realizar reducción y oxidación simultáneamente. En el intercambio de calor se tienen en cuenta las diferentes necesidades de las corrientes, por lo que hay dos regeneradores a la salida de los reactores para aprovechar el calor de las corrientes de salida para las de entrada. Tras el regenerador de reducción se dispone de un enfriador para los productos y tras el de oxidación unas tuberías calefactadas por heliostatos para los reactivos. También se han implementado dos enfriadores tras los macrocompresores. La impulsión se realiza a partir de compresores, para que las corrientes gaseosas superen las pérdidas de carga, ubicados tras los depósitos pulmón y reactores, y una bomba para el agua. Y dos macrocompresores para llevar a los productos de interés a las condiciones de límite de batería. Para los equipos de separación se han tenido en cuenta diferentes procesos, aunque el seleccionado ha sido la separación mediante membranas, debido a su coste, eficiencia y escalabilidad. Por otra parte, en el proceso hay dos tipos de depósitos: pulmón y de almacenamiento. Los primeros son para asegurar la continuidad de la planta en productos críticos: el nitrógeno y el agua de alimento a los reactores. Y el almacenamiento para los productos de interés: el hidrógeno y el oxígeno. Por último, se diseña el campo de heliostatos en base al calor de las reacciones y de otras necesidades, y el reactor solar mediante software especializado. El proceso obtuvo una producción anual de 1,5 toneladas de H2 y un rendimiento de 59,7 %, un valor cercano pero inferior a la electrólisis y a otros procesos de almacenamiento de energía solar térmica. En el análisis de rentabilidad se obtuvo un VAN de -7.491.133 €, pero se realizaron estudios teniendo en cuenta los proyectos de ayudas públicas a este tipo de procesos y, además, el efecto del aumento de la extensión de las reacciones que componen el ciclo. De lo que se deduce que con investigación se podrían lograr mejores resultados que provoquen que este proyecto sea de interés técnica, económica y ambientalmente