PRODUCCIÓN DE HIDROGENO MEDIANTE ENERGÍA NUCLEAR: LA INTEGRACIÓN DE LOS CICLOS TERMOQUÍMICOS A LAS CENTRALES NUCLEARES DE GENERACIÓN IV

Autor: [Raúl Molina-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

 En la actualidad existen tecnologías de producción de hidrógeno maduras, que utilizan combustibles fósiles, usualmente gas natural y carbón, en procesos de reformado, oxidación parcial y gasificación. Sin embargo, estas tecnologías adolecen de los mismos problemas que las centrales térmicas de generación eléctrica basadas en hidrocarburos en cuanto a la emisión de contaminantes y gases de efecto invernadero. Dentro de los procesos alternativos propuestos para la producción de hidrógeno limpio por la Plataforma Europea del Hidrógeno destacan los ciclos termoquímicos nucleares y solares, en los que se utiliza agua como materia prima para su disociación en hidrógeno y oxígeno. Las temperaturas requeridas para las etapas de los ciclos termoquímicos, aunque elevadas, están por debajo de la necesaria para la descomposición térmica directa del agua, aunque no por ello son temperaturas despreciables, oscilando entre los 500 y 1500 °C, dependiendo del ciclo escogido.

 De forma tradicional, la industria nuclear es la que con más fuerza ha estudiado y promovido los ciclos termoquímicos de producción de hidrógeno, buscando un ciclo adecuado para su integración con el calor suministrado por un reactor nuclear. Según este criterio, de entre los más de 100 ciclos posibles que se encuentran descritos en bibliografía, los ciclos más relevantes y estudiados han sido los de azufre-yodo, propuesto en los años setenta por General Atomics, el ciclo hibrido de Bowman-Westinghouse de bromo y azufre, en el que la primera etapa del ciclo necesita de un electrolizador de alta temperatura, o el ciclo UT-3, desarrollado en Tokyo por Kameyama y Yoshida en 1978 y que involucra bromuros y óxidos de hierro y calcio en cuatro etapas diferentes. En los tres casos, la temperatura máxima necearía oscila entre los 850 y los 950 °C, y consisten en una serie de reacciones en cadena (de 2 a 4) que juntas suman la disociación del agua en hidrógeno y oxígeno, sin ningún tipo de subproducto teórico.

 El principal inconveniente para el acoplamiento de los ciclos termoquímicos a la energía nuclear es la baja temperatura de trabajo de los reactores actuales. Los sistemas PWR (Reactores de agua a presión) y BWR (reactores de agua en ebullición) de agua ligera de Generación II oscilan en temperaturas de trabajo de 300-400 °C. Los sistemas avanzados de Generación III (APWR, SBWR, sistemas avanzados de agua a presión y ebullición) modifican ciertos aspectos del diseño de los anteriores con el objetivo de incorporar más sistemas pasivos de seguridad y aprovechamiento energético, pero sin cambiar apreciablemente la temperatura de trabajo de los mismos, y sin acercarse a los 850 °C necesarios para los ciclos propuestos. Sin embargo, con los diseños y desarrollos de reactores de Generación IV, basados en reactores rápidos en algunos casos de alta temperatura, es posible alcanzar las temperaturas necesarias para las reacciones de los ciclos mencionados, así como otros propuestos en bibliografía. La implantación de estos reactores está prevista para el año 2030, aunque algunos diseños, como el reactor de muy alta temperatura (VHTR) se encuentran en una fase más avanzada. Todos los reactores susceptibles de ser empleados para la generación de hidrógeno siguen un ciclo Brayton con regenerador, en el que las turbinas de gas permiten trabajar a las temperaturas adecuadas para los ciclos termoquímicos. Entre los reactores de Generación IV susceptibles de generar hidrógeno mediante ciclos termoquímicos, se encuentran el GFR (Gas-cooled Fast Reactor), con temperatura de trabajo de 550 a 850 °C, el VHTR, con temperaturas de 850 a 1000 °C, ambos refrigerados con helio, el LFR (Lead cooled Fast reactor), con temperaturas de 550 a 850 °C, y el MSR (Molten Salt Reactor), con temperaturas de 700 a 800 °C. De estos diseños, el VHTR es el más avanzado, como ya se ha comentado, y estaba prevista la construcción de una primera central de tipo PBMR (con el combustible en lecho de bolas, Peebles Bed) en Sudáfrica en el 2008, aunque finalmente el proyecto se canceló en 2009. El Instituto japonés para la investigación en energía atómica (JAERI) por su parte, comenzó en 2001 un programa basado en una variante del VHTR, con el combustible en forma de elementos prismáticos, el sistema GTHTR-3000, cuyo diseño final de prototipo se espera que esté listo a finales de 2010. En ambos casos, el ciclo con el que se trabaja para una hipotética integración y obtención de hidrógeno sería el de azufre yodo (S-I). En Europa, los ciclos S-I y Westinghouse han sido objeto de un estudio exhaustivo en un proyecto financiado por el VI Programa Marco de la CE denominado HYTHEC, en el que se han desarrollado y evaluado las opciones de acoplamiento de ambos ciclos con reactores VHTR. Las conclusiones de dicho proyecto han tenido continuación en el proyecto HYCYCLES, que pretende diseñar los componentes necesarios para la construcción de plantas piloto de producción de hidrógeno utilizando ciclos termoquímicos, y que finaliza el 31 de diciembre de 2010.

 En resumen, el desarrollo de ciclos termoquímicos de producción de hidrógeno ha estado tradicionalmente ligado a la energía nuclear, y tiene continuación actualmente  en el impulso de reactores nucleares de Generación IV, más rápidos, seguros y de mayor temperatura de trabajo. Sin embargo, la elección del ciclo y del proceso de integración es fundamental porque, tomando como referencia el ciclo termoquímico S-I, si bien las necesidades energéticas del mismo pueden ser cubiertas por los reactores nucleares de esta nueva generación, todavía quedan por solucionar otros aspectos asociados, como puede ser por ejemplo la separación del H2 generado y el I2, que debe recuperarse para cerrar el ciclo, los problemas de corrosión asociados al azufre en forma de ácido sulfúrico, o el desarrollo de cada etapa con el objeto de asegurar la ciclabilidad del proceso.

Etiquetas:

Si te gustó esta entrada anímate a escribir un comentario o suscribirte al feed y obtener los artículos futuros en tu lector de feeds.

(requerido)

(requerido)


*