Prototipos de hornos solares para producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos de dos etapas

[Autora: Carolina Herradón-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

La producción termoquímica de H2 y O2 a partir de agua involucra una serie etapas endo- y exotérmicas, que convierten dicha materia prima en cantidades estequiométricas de H2 y O2 empleando el calor como única fuente de energía. Se trata de un proceso muy atractivo porque convierte directamente la energía térmica en energía química almacenable a temperaturas que, en función del ciclo termoquímico empleado, pueden ser alcanzadas por diferentes fuentes de energía (energía nuclear y energía solar principalmente) [1].

Los ciclos termoquímicos para disociación de la molécula de agua se han estudiado desde los años 1960-1970, existiendo en la actualidad más de 2000, que se clasifican en función del compuesto químico con el que se inicia el ciclo [2,3].

En los últimos años han cobrado significativa importancia los ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos que transcurren, generalmente, a través de dos etapas:

 

La primera etapa, reacción (1), consiste en la reducción térmica del óxido metálico, denominada también etapa de activación, con la consecuente liberación de oxígeno. Normalmente es endotérmica y, dependiendo del óxido metálico utilizado, se requiere una temperatura determinada como, por ejemplo, 900 ºCpara el sistema Co3O4/CoO, 1200 ºC en el caso de los sistemas Fe2O3/Fe3O4, y de hasta 3700 ºC en el caso del TiO2.

Durante la segunda etapa, reacción (2), se lleva a cabo la hidrólisis mediante la cual se produce H2 y se recupera el óxido metálico inicial. Es una reacción exotérmica que suele producirse a temperaturas inferiores a1000 ºC [4].

Las temperaturas “moderadas” requeridas por los ciclos basados en óxidos de hierro (ferritas) hacen que sea muy atractivo para ser combinado con tecnologías de energía solar concentrada, obteniendo así una forma totalmente limpia y renovable de obtener hidrógeno. Por todo ello, en el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) han sido diseñados, construidos y probados dos prototipos de horno solar, para la producción de hidrógeno a través de ciclos termoquímicos principalmente basados en óxidos de hierro. El primer reactor, mostrado en la Figura1.(a), consta de una única cámara monolítica y un soporte de canales de carburo de silicio (SiC) con forma de panal de abeja dentro de un reactor-receptor solar. Dicho soporte es recubierto con ferrita en polvo, en una configuración similar a la del convertidor catalítico de los tubos de escape en los coches. Con esta configuración se consigue llevar a cabo todo el proceso de producción de hidrógeno en un único receptor-reactor solar, se reduce significativamente la temperatura del proceso y se minimiza la recombinación de O2 e H2 fijando el oxígeno en el óxido metálico. La dificultad que presenta esta instalación es que, a elevadas temperaturas, el óxido de hierro no es químicamente inerte al SiC. Sin embargo, no está muy claro dónde y por qué puede afectar este componente al desarrollo de la reacción.

Con el fin de disponer de un sistema semi-continuo con suministro continuo de hidrógeno, el DLR ha construido un segundo reactor que consta de dos canales separados con absorbedores en forma de panal de abeja en cada uno de ellos (Figura 1.(b)) [5]. De este modo, mientras en uno de los canales tiene lugar la reacción de disociación de la molécula de agua a unos800 ºC, en el otro canal el material está siendo regenerado a temperaturas de hasta1200 ºC. Los resultados experimentales obtenidos del reactor prototipo, así como las simulaciones realizadas con el modelo de reactor correspondiente, apoyan el desarrollo y verificación de una estrategia de proceso para la producción continua de hidrógeno a gran escala [6].

 Figura 1. Reactor solar con (a) único soporte de canales de SiC en disposición de panal de abeja  y (b) dos canales con absorbedores en forma de panal de abeja, construidos por DLR, Colonia, Alemania [6, 7].

[1] Bingjun, X.; Yashodan, B., Mark, E.D.; Low-temperature, manganese oxide-based, thermochemical water splitting cycle; www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1206407109 (2012).

[2] Montes, M.J.; Abánades, A.; Martínez-Val J.M.; Producción de hidrógeno a partir de energía solar. Centro de Ançalisis de Desarrollo Energético Sostenible FFII, grupo de termotecnia, ETSII-UPM, (2010).

[3] Kodama, T.; Nobuyuki, G.; Thermochemical Cycles for High-Temperature Solar Hydrogen Production; Chemical reviews (2007)

[4] Charvin, P.; Abanades, S.; Lemort, F.; Flamant,G.; Hydrogen Production by Three-Step Solar Thermochemical Cycles Using Hydroxides and Metal Oxide Systems; Energy and Fuels 21 (2007) 2919-2928.

[5] Xiao, L.; Wu, SY.; Li, YR.; Advances in solar hydrogen production via two-step water-splitting thermochemical cycles based on metal redox reactions; Renewable Energy 41 (2012).

[6] Roeb, M.; Neises, M.; Säck, J-P.; Rietbrock, P., Monnerie, N.; Dersch, J.; Operational strategy of a two- step thermochemical process for solar hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009).

[7] Roeb, M.; Sattler, C.; Klüser, R.; Monnerie, N.; Oliviera, L.; Konstandopoulos, AG.; Solar hydrogen production by a two-step cycle based on mixed iron oxides. Journal of Solar Energy Engineering 128 (2) (2006) 125-33.

 

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