{"id":132707,"date":"2015-09-25T11:17:48","date_gmt":"2015-09-25T10:17:48","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=132707"},"modified":"2015-09-25T11:17:48","modified_gmt":"2015-09-25T10:17:48","slug":"estudio-de-materiales-para-su-aplicacion-en-la-produccion-de-hidrogeno-mediante-ciclos-termoquimicos-empleando-energia-solar-concentrada","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2015\/09\/25\/132707","title":{"rendered":"Estudio de materiales para su aplicaci\u00f3n en la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno mediante ciclos termoqu\u00edmicos empleando energ\u00eda solar concentrada"},"content":{"rendered":"

Autora: C. Caravaca. CIEMAT<\/span><\/strong><\/p>\n

El desarrollo industrial ha hecho que el uso y la necesidad de fuentes de energ\u00eda hayan crecido exponencialmente. Esta energ\u00eda ha sido proporcionada principalmente por combustibles f\u00f3siles como el carb\u00f3n, el petr\u00f3leo y el gas natural, que a pesar de su propiedades muy \u00fatiles, tienen una duraci\u00f3n limitada y emiten gran cantidad de contaminantes medioambientales (CO, CO2<\/sub>, Cn<\/sub>Hm, SOx<\/sub>, NOx<\/sub>, metales pesados, cenizas, etc) [1].<\/span><\/p>\n

A finales de los a\u00f1os 70 y principios de los a\u00f1os 80 con la crisis del petr\u00f3leo creci\u00f3 el inter\u00e9s por la b\u00fasqueda de fuentes de energ\u00eda alternativas. Entre los combustibles seguros, no contaminantes y eficaces que sustituyan a los combustibles f\u00f3siles se encuentra el hidr\u00f3geno. El hidr\u00f3geno es capaz de generar energ\u00eda a trav\u00e9s de un proceso limpio que conduce a la formaci\u00f3n de agua como \u00fanico producto. La energ\u00eda qu\u00edmica liberada se puede aprovechar directamente o se puede transformar en energ\u00eda el\u00e9ctrica por medio de las pilas de combustible o los motores de combusti\u00f3n de alto rendimiento.<\/span><\/p>\n

Sin embargo, el hidr\u00f3geno no es una materia prima, sino que ha de obtenerse a partir de compuestos que lo contienen como son el gas natural, los hidrocarburos ligeros o el agua. Actualmente, el 96% de esta producci\u00f3n mundial de hidr\u00f3geno se obtiene a partir de materias primas f\u00f3siles (petr\u00f3leo, gas natural y carb\u00f3n), el 3,9 % mediante electrolisis de agua y el 0,1% restante mediante otros m\u00e9todos [2].<\/span><\/p>\n

Uno de los procesos limpios de producci\u00f3n de hidr\u00f3geno a partir de agua se basa en la utilizaci\u00f3n de energ\u00eda solar. Esta fuente de energ\u00eda no convencional es muy valiosa, ya que posee reservas esencialmente ilimitadas. Sin embargo, presenta ciertas desventajas en cuanto a que la radiaci\u00f3n solar que llega a la tierra es muy diluida (s\u00f3lo 1 kW\/m2), intermitente (disponible durante el d\u00eda) y est\u00e1 distribuida de manera desigual sobre la superficie terrestre [3]. Los m\u00e9todos de obtenci\u00f3n de hidr\u00f3geno utilizando energ\u00eda solar se engloban en 3 grupos: procesos fotoqu\u00edmicos, electroqu\u00edmicos y termoqu\u00edmicos, aunque tambi\u00e9n existen combinaciones de los anteriores.<\/span><\/p>\n

La descomposici\u00f3n t\u00e9rmica del agua en hidr\u00f3geno y ox\u00edgeno requiere temperaturas superiores a 2.500 \u00b0C para obtener grados de conversi\u00f3n significativos. Los productos de la descomposici\u00f3n H2(g)<\/sub> y O2(g)<\/sub> han de ser enfriados para evitar su recombinaci\u00f3n y posteriormente hay que separar las dos corrientes gaseosas. <\/span><\/p>\n

Los ciclos termoqu\u00edmicos que emplean \u00f3xidos met\u00e1licos utilizan la energ\u00eda solar concentrada como fuente calor\u00edfica de alta temperatura para lograr la conversi\u00f3n de agua en hidr\u00f3geno y ox\u00edgeno mediante una serie de reacciones endot\u00e9rmicas y exot\u00e9rmicas, es decir, transforman la energ\u00eda t\u00e9rmica en energ\u00eda qu\u00edmica [4]. Como se muestra en el esquema de la Figura 1<\/span>, mediante estos ciclos es posible realizar la descomposici\u00f3n t\u00e9rmica del agua a temperaturas inferiores que en la descomposici\u00f3n directa y adem\u00e1s, las corrientes de H2(g)<\/sub> y O2(g)<\/sub> se obtienen en etapas separadas lo que evita tener que realizar una etapa de separaci\u00f3n posterior .La primera etapa del ciclo consiste en un proceso endot\u00e9rmico en el que se produce la reducci\u00f3n del \u00f3xido met\u00e1lico en metal o en un \u00f3xido de menor valencia. La segunda etapa consiste en un proceso exot\u00e9rmico de descomposici\u00f3n del agua en hidr\u00f3geno a la vez que se regenera el \u00f3xido inicial. <\/span><\/p>\n

Los materiales empleados en los ciclos deben cumplir una serie de criterios como son el rendimiento de reducci\u00f3n t\u00e9rmica y de producci\u00f3n de hidr\u00f3geno, las cin\u00e9ticas de las reacciones qu\u00edmicas, mantener su estructura a lo largo de ciclos repetitivos, toxicidad, disponibilidad y coste de los reactivos, f\u00e1cil manejo de los materiales o la separaci\u00f3n de los productos finales.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/span>Figura <\/strong>1. Esquema general de un ciclo termoqu\u00edmico basado en \u00f3xidos met\u00e1licos.<\/strong><\/p>\n

En la actualidad se est\u00e1n estudiando varios ciclos termoqu\u00edmicos basados en \u00f3xidos met\u00e1licos aunque todav\u00eda no se dispone de un dispositivo industrial. Entre los materiales estudiados se encuentra el ciclo basado en el ZnO; presenta el inconveniente de que la etapa de reducci\u00f3n requiere una temperatura muy elevada (~ 1700 \u00b0C) y es necesaria un etapa posterior de separaci\u00f3n y concentraci\u00f3n de los productos obtenidos durante la etapa de reducci\u00f3n, Zn(g)<\/sub> y O2(g),<\/sub> ya que durante el proceso de enfriamiento tienden a recombinarse. El enfriamiento r\u00e1pido de los productos o \u201cquenching<\/em>\u201d evita su recombinaci\u00f3n pero supone un gasto extra de energ\u00eda [5].<\/span><\/p>\n

Los ciclos basados en \u00f3xidos de metales de transici\u00f3n como TiO2<\/sub>\/TiOx<\/sub>, Co3<\/sub>O4<\/sub>\/CoO se han desarrollado y probado en reactores solares, pero el rendimiento de hidr\u00f3geno generado es bajo para su aplicaci\u00f3n a escala industrial. Otro de los ciclos est\u00e1 basado en el \u00f3xidos de hierro, la magnetita (Fe3<\/sub>O4<\/sub>) es una ferrita que forma parte del ciclo Fe3<\/sub>O4<\/sub>\/FeO. Este ciclo tambi\u00e9n requiere temperaturas elevadas en la etapa de reducci\u00f3n (1600 \u00b0C) y un enfriamiento r\u00e1pido o \u201cquenching\u201d<\/em> para evitar la recombinaci\u00f3n de los productos de la reacci\u00f3n. Se ha investigado la sustituci\u00f3n parcial de hierro de las ferritas por otros metales como Mn, Mg, Co o Ni para formar \u00f3xidos mixtos (Fe1-x<\/sub>Mx<\/sub>)3<\/sub>O4<\/sub>), los cuales pueden ser reducidos a menor temperatura generando fases reducidas (Fe1-x<\/sub>Mx<\/sub>)1-y<\/sub>O) que son capaces de descomponer el agua y producir hidr\u00f3geno. Sin embargo, existen ciertos inconvenientes como el necesario \u201cquenching<\/em>\u201d\u00b7de los productos de reducci\u00f3n, la posible sinterizaci\u00f3n y en ocasiones la baja producci\u00f3n de hidr\u00f3geno<\/span><\/p>\n

Uno de los ciclos que presenta mejores rendimientos con velocidades de reacci\u00f3n elevadas en las dos etapas y que poseen gran ciclabilidad es el basado en el CeO2<\/sub>. Sin embargo, la reducci\u00f3n estequiometrica a Ce2<\/sub>O3<\/sub> requiere temperaturas muy elevadas (2000 \u00b0C), lo que hace casi imposible su utilizaci\u00f3n con instalaciones de concentraci\u00f3n solar en gran escala [6]. Se han realizado estudios empleando materiales de CeO2<\/sub> dopados con distintos metales de transici\u00f3n, lant\u00e1nidos o Zr [7-9] en las que la reducci\u00f3n es no-estequiometrica y se realiza temperaturas considerablemente inferiores (1400-1500C). Los rendimientos de reducci\u00f3n, aunque aceptables, son inferiores a los del CeO2<\/sub>, excepto en el caso del Zr, sin embargo, se ha indicado que este tipo de materiales pierde actividad con el ciclado. <\/span><\/p>\n

Desde hace varios a\u00f1os en el CIEMAT se vienen estudiando procesos de ciclos termoqu\u00edmicos para la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno mediante energ\u00eda solar concentrada. Concretamente, se han estudiado ciclos basados en ferritas dopadas con distintos metales, se han ensayado tanto \u00f3xidos comerciales como sintetizados en el CIEMAT. Entre los que presentaban mejores resultados est\u00e1 la ferrita de Ni [10]. Entre los inconvenientes de este material se encuentra la elevada temperatura requerida para lograr rendimientos de reducci\u00f3n aceptables (1400- 1450\u00b0C). esta elevada temperatura produce una sinterizaci\u00f3n del material y la formaci\u00f3n de dos fases de tipo NiO y FeO. Adem\u00e1s, las cin\u00e9ticas de las reacciones son lentas. <\/span><\/span><\/p>\n

Actualmente, una de las actividades en las que est\u00e1 involucrado el CIEMAT dentro del proyecto ALCCONES es el estudio de nuevos materiales \u00f3xidos que permitan reducir la temperatura necesaria para llevar a cabo la etapa de reducci\u00f3n, con alta producci\u00f3n de hidr\u00f3geno y cin\u00e9ticas r\u00e1pidas. Los materiales considerados son \u00f3xidos de tipo perovskita, de f\u00f3rmula ABO3<\/sub>. La estructura perovskita ideal es c\u00fabica, y se deben cumplir una serie de reglas en cuanto a los radios i\u00f3nicos de los cationes A y B y adem\u00e1s, se debe cumplir la neutralidad electr\u00f3nica de manera que la carga de A+B sea igual a la carga de los aniones ox\u00edgeno; lo cual se logra mediante la distribuci\u00f3n de carga. Esto unido al hecho que los cationes A y B pueden tener diferentes valencias produce defectos y distorsiones de la estructura perovskita que pueden dar lugar a materiales deficientes en ox\u00edgeno cuyas propiedades redox son las adecuadas para los ciclos termoqu\u00edmicos. <\/span><\/p>\n

Los materiales considerados inicialmente son perovskitas del tipo: La1-x<\/sub>Srx<\/sub>B1-y<\/sub>By<\/sub>\u2019O3<\/sub> (B, B\u2019 =Mn, Al, Co, Fe). Los materiales son sintetizados mediante un proceso sol-gel y posteriormente calcinados a las temperaturas adecuadas para formar la fase perovskita, la cual se caracteriza mediante an\u00e1lisis de difracci\u00f3n de rayos X. Hasta el momento se han sintetizado tres compuestos y se ha comenzado a probar su comportamiento durante la etapa de reducci\u00f3n. Dichos ensayos se est\u00e1n realizando en termobalanza para determinar su grado de reducci\u00f3n de estos compuestos y los resultados se comparan con los obtenidos con CeO2<\/sub>, considerado como material de referencia. <\/span><\/p>\n

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Esta investigaci\u00f3n se est\u00e1 llevando a cabo gracias a la financiaci\u00f3n del proyecto ALCCONES financiado por la comunidad de Madrid- REF. P2013\/MAE2985.<\/span><\/p>\n

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Bibliograf\u00eda<\/strong>:<\/span><\/p>\n

[1]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 M. Momirlan and T. N. Veziroglu. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2002, 6 (1-2) 141-179.<\/span><\/p>\n

[2]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Ewan, B.C.R. and R.W.K. Allen. Int. J. Energy, 2005, 30(8), 809-819.<\/span><\/span><\/p>\n

[3]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Serpone, N., D. Lawless, and R. Terzian. Solar Energy, 1992. 49<\/strong>(4): p. 221-234<\/span><\/p>\n

[4]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 A. Steinfeld. Solar Energy, 2005. 78<\/strong>(5): p. 603-615.<\/span><\/p>\n

[5]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Palumbo, R., et al. Chem. Eng. Sci., 1998. 53<\/strong>(14): p. 2503-2517..<\/span><\/p>\n

[6]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Abanades, S. and G. Flamant. Solar Energy, 2006. 80<\/strong>(12): p. 1611-1623<\/span><\/span><\/p>\n

[7]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Kaneko, H., et al. Energy, 2007. 32<\/strong>(5): p. 656-663<\/span><\/span><\/p>\n

[8]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Demont, A., S. Abanades, and E. Beche. J. \u00a0Phys. Chem. C, 2014. 118<\/strong>(24): p. 12682-12692.<\/span><\/p>\n

[9]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Le Gal, A., S. Abanades, and G. Flamant. Energy & Fuels, 2011. 25<\/strong>(10): p. 4836-4845.<\/span><\/p>\n

[10]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Fern\u00e1ndez-Saavedra, R., et al. Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39<\/strong>(13): p. <\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Autora: C. Caravaca. CIEMAT El desarrollo industrial ha hecho que el uso y la necesidad de fuentes de energ\u00eda hayan crecido exponencialmente. Esta energ\u00eda ha sido proporcionada principalmente por combustibles f\u00f3siles como el carb\u00f3n, el petr\u00f3leo y el gas natural, que a pesar de su propiedades muy \u00fatiles, tienen una duraci\u00f3n limitada y emiten gran cantidad de contaminantes medioambientales (CO, CO2, CnHm, SOx, NOx, metales pesados, cenizas, etc) [1]. A finales de los a\u00f1os 70 y principios de los a\u00f1os 80 con la crisis del petr\u00f3leo creci\u00f3 el inter\u00e9s por la b\u00fasqueda de fuentes de energ\u00eda alternativas. Entre los combustibles\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":29,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[543,547,546],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132707"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/users\/29"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=132707"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132707\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":132713,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132707\/revisions\/132713"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=132707"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=132707"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=132707"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}