{"id":134156,"date":"2019-11-08T10:47:12","date_gmt":"2019-11-08T09:47:12","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134156"},"modified":"2019-11-08T10:47:12","modified_gmt":"2019-11-08T09:47:12","slug":"tratamiento-de-metano-con-tecnologia-de-metales-liquidos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2019\/11\/08\/134156","title":{"rendered":"Tratamiento de metano con tecnolog\u00eda de metales l\u00edquidos"},"content":{"rendered":"

Autores: \u00c1ngel Mart\u00ednez Rodr\u00edguez, \u00a0<\/strong><\/span>Alberto Ab\u00e1nades Velasco<\/span><\/strong><\/p>\n

Grupo de Investigaciones Termoenerg\u00e9ticas, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid<\/span><\/p>\n

RESUMEN<\/span><\/strong><\/p>\n

Se est\u00e1n desarrollando nuevos reactores para procesos a alta temperatura basados en el uso de metales l\u00edquidos, los cuales son capaces de permanecer en estado l\u00edquido con una muy baja presi\u00f3n de vapor hasta m\u00e1s all\u00e1 de los 1500 \u00baC. Esas caracter\u00edsticas termof\u00edsicas, junto con su alta conductividad\/difusividad t\u00e9rmica, los hace muy adecuados para el potencial tratamiento de hidrocarburos. Se busca realizar un avance tecnol\u00f3gico significativo para lograr el desarrollo de un reactor de burbujeo en metal l\u00edquido para el tratamiento de gas natural y biog\u00e1s crudo (una mezcla de CH4<\/sub><\/span> y CO<\/span>2<\/span><\/sub>) empleando energ\u00eda solar concentrada, pudiendo ser viable a gran escala. El proyecto tiene como objetivo verificar experimentalmente reactores de metal l\u00edquido para llevar a cabo la pir\u00f3lisis y el reformado seco de metano, para obtener gas de s\u00edntesis (CO y H<\/span>2<\/span><\/sub>) y part\u00edculas s\u00f3lidas de carbono. Este tipo de reactores son in\u00e9ditos, pero pueden ser claves en el futuro para el desarrollo de reacciones a muy alta temperatura, incluida la reducci\u00f3n de CO<\/span>2<\/span><\/sub>, lo que implica: 1) Sistemas de aporte de energ\u00eda t\u00e9rmica<\/span>\u00a0 <\/span>basado en energ\u00eda solar concentrada ; 2) un sistema de aporte de reactantes, fundamentalmente hidrocarburos y CO<\/span>2<\/span><\/sub>,<\/span>\u00a0 <\/span>3) un mecanismo de extracci\u00f3n continua de part\u00edculas, que en los casos que se pretende realizar ser\u00edan de carbono, y 4) caracterizaci\u00f3n f\u00edsico-qu\u00edmica del carbono producido, y la evaluaci\u00f3n de aplicaciones del proceso, para estimar su viabilidad. En caso de comprobar la operaci\u00f3n con \u00e9xito del reactor propuesto a escala experimental (aprox. 1 kW-H<\/span>2<\/span><\/sub>), y la viabilidad de las aplicaciones, se estar\u00e1 en condiciones de abordar etapas de desarrollo industrial.<\/span><\/p>\n

ABSTRACT<\/strong><\/span><\/p>\n

New reactors are being developed for high temperature processes based on the\u00a0use of liquid metals, which are able to remain in a liquid state with a very low vapor pressure up to more than 1500 \u00b0 C. These thermophysical characteristics, together with their high conductivity \/ thermal diffusivity, make them very suitable for the potential treatment of hydrocarbons. A significant technological advance is sought to achieve the development of a liquid metal bubbling reactor for the treatment of natural gas and raw biogas (a mixture of CH4 and CO2) using concentrated solar energy, and it can be viable on a large scale. The project aims to experimentally verify liquid metal reactors to carry out dry methane reforming, to obtain synthesis gas (CO and H2) and solid carbon particles. These types of reactors are unpublished, but they can be key in the future for the development of reactions at very high temperature. The idea is to develop systems to carry out the treatment of hydrocarbons, including the reduction of CO2, which implies: 1) Thermal energy input systems based on concentrated solar energy; 2) a system for the supply of reactants, mainly hydrocarbons and CO2, 3) a mechanism for continuous extraction of particles, which in the cases that are intended to be carbon, and 4) physical-chemical characterization of the carbon produced, and the evaluation of process applications, to estimate its viability. If the operation of the proposed reactor is tested successfully on an experimental scale (approx. 1 kW-H2), and the viability of the applications, it will be able to address stages of industrial development.<\/span><\/p>\n

Art\u00edculo de difusi\u00f3n<\/span><\/strong><\/p>\n

El desarrollo de nuevos procesos tecnol\u00f3gicos es imprescindible para lograr la reducci\u00f3n de emisiones de gases de efecto invernadero en procesos energ\u00e9ticos clave que aumenten la sostenibilidad de nuestra Sociedad y ayuden a cumplir con muchos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). En particular, la integraci\u00f3n del tratamiento de materiales en una econom\u00eda circular necesita nuevos procesos innovadores. Los ODS 7 (energ\u00eda asequible y no contaminante), y ODS 13 (acci\u00f3n por el clima) se conectan directamente con el desarrollo de nuevos procesos qu\u00edmicos innovadores. Entre esos procesos est\u00e1, evidentemente, el tratamiento de hidrocarburos y de reducci\u00f3n de CO2<\/sub><\/span>, en este caso para producir vectores fundamentales para la transici\u00f3n energ\u00e9tica, como H<\/span>2<\/span><\/sub> y gas de s\u00edntesis, con la captura efectiva de C en forma s\u00f3lida, o\/y la reducci\u00f3n de CO<\/span>2<\/span><\/sub>, que permita cerrar los ciclos antropog\u00e9nicos de carbono.<\/span><\/p>\n

La descomposici\u00f3n del metano (que podr\u00eda ser extrapolable a otros hidrocarburos gaseosos), tambi\u00e9n llamada pir\u00f3lisis de metano, consiste en el desarrollo de la reacci\u00f3n qu\u00edmica (1). Este proceso permite producir hidr\u00f3geno sin emisiones, y la generaci\u00f3n de Carbono de alta calidad para aplicaciones a\u00fan poco desarrolladas, como la manufactura de grafeno, \u00f3xido de grafeno, o fibras de carbono a gran escala.<\/span><\/p>\n

Al emplear biog\u00e1s crudo como corriente de alimentaci\u00f3n, tiene lugar la aparici\u00f3n de otra serie de reacciones derivadas del proceso de reformado de CO2<\/sub><\/span>-CH<\/span>4<\/span><\/sub>, siendo la reacci\u00f3n principal el reformado seco de metano (2):<\/span><\/p>\n

Descomposici\u00f3n metano:\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>CH<\/span>4<\/span><\/sub> \u2192 C + 2H<\/span>2<\/sub>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span><\/em>\u0394<\/span><\/em>H=74,5 kJ\/mol-H2<\/sub><\/em><\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>(1)<\/span><\/p>\n

Reformado seco de metano:\u00a0\u00a0 <\/span>CH<\/span>4<\/span><\/sub> + CO<\/span>2<\/span><\/sub> \u2192 2CO + 2H<\/span>2<\/sub>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \u0394<\/span>H=2<\/em>46,9 kJ\/mol-H2<\/sub><\/em><\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0<\/span>(2)<\/span><\/p>\n

La reacci\u00f3n de reformado seco permite el aprovechamiento de CO2<\/sub><\/span> capturado, y su integraci\u00f3n en la econom\u00eda circular mediante su reducci\u00f3n qu\u00edmica directa, as\u00ed como su aplicaci\u00f3n al tratamiento de gases crudos procedentes de la generaci\u00f3n de biog\u00e1s, que forman mezclas de CO<\/span>2<\/span><\/sub>\/CH<\/span>4<\/span><\/sub>, susceptibles de ser transformadas por la reacci\u00f3n (2) en gas de s\u00edntesis, hidrogeno y carbono. <\/span>En la Figura 1 se muestra una descripci\u00f3n general de las opciones de utilizaci\u00f3n de gas natural en funci\u00f3n de las emisiones de CO2<\/sub><\/span>, y como la pir\u00f3lisis de metano puede constituir una t\u00e9cnica de captura de carbono, para su integraci\u00f3n en la econom\u00eda circular.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Figura 1<\/strong>: Descripci\u00f3n general de las opciones de utilizaci\u00f3n de gas natural en funci\u00f3n de las emisiones de CO2<\/sub><\/span><\/p>\n

El desarrollo de reactores de alta temperatura se hace imprescindible para lograr esos objetivos, en cuanto los procesos de reducci\u00f3n de CO2<\/sub><\/span>, o de pir\u00f3lisis de hidrocarburos requieren altas temperaturas que permitan un grado alto de avance de la reacci\u00f3n, y reduzcan el uso de catalizadores, que en muchos casos implican una generaci\u00f3n adicional de residuos y complejidad. En resumen, hay una cantidad bastante importante de datos relacionados con la descomposici\u00f3n de metano en lo que se refiere a niveles de conversi\u00f3n te\u00f3ricos de la reacci\u00f3n, y al comportamiento de potenciales catalizadores, con temperatura de operaci\u00f3n como las descritas en la <\/span>Figura 2. <\/span><\/p>\n

\"\"<\/span><\/p>\n

Figura 2<\/strong>: Rangos de temperatura de aplicaci\u00f3n de t\u00e9cnicas de descomposici\u00f3n t\u00e9rmica de metano.<\/span><\/p>\n

La viabilidad t\u00e9cnico-econ\u00f3mica y ambiental de muchos de esos procesos se puede mejorar con el desarrollo de reactores de alta temperatura con metales l\u00edquidos. Las buenas propiedades termo-f\u00edsicas de los metales l\u00edquidos pueden abrir una l\u00ednea muy prometedora para el dise\u00f1o de reactores de muy alta temperatura. La capacidad de transferencia t\u00e9rmica (difusividad, conductividad, \u2026) es una de las claves para poder desarrollar reactores a gran escala, homogeneizando las condiciones internas del reactor, tal y como se necesitar\u00eda para aplicaciones industriales. Por otro lado, la alta conductividad t\u00e9rmica de los metales l\u00edquidos da lugar a una buena transmisi\u00f3n de energ\u00eda a los enlaces moleculares, reduciendo la necesidad de catalizadores.<\/span><\/p>\n

Los antecedentes de este proyecto se encuentran en los trabajos previos que se han desarrollado para la prueba de concepto de un reactor de metal l\u00edquido para pir\u00f3lisis de metano (Gei\u00dfler et al., 2016)<\/span>\u00a0<\/span>(Ab\u00e1nades et al., 2016)<\/span>, y que ha sido reconocido como una tecnolog\u00eda de futuro obteniendo premios de innovaci\u00f3n como el 2\u00ba puesto de la competici\u00f3n de ideas de EIT Raw Materials, o el premio de R&D de la Industria alemana del gas.<\/span><\/p>\n

En particular, el desarrollo que se propone tiene una relaci\u00f3n directa con la \u201cAcci\u00f3n sobre cambio clim\u00e1tico y eficiencia en la utilizaci\u00f3n de recursos y materias primas<\/em><\/span>\u201d, al tratarse de una tecnolog\u00eda para aprovechar residuos org\u00e1nicos, productos del tratamiento de biomasa y materias primas f\u00f3siles sin emisiones de gases de efecto invernadero en un escenario de captura de CO2<\/sub>. Cabe destacar que estos recursos, adem\u00e1s de la obtenci\u00f3n de carbono metal\u00fargico y gas de s\u00edntesis, produce hidr\u00f3geno, como una forma de \u201cenerg\u00eda segura sostenible y limpia\u201d. Por otro lado, el empleo de fuentes de energ\u00eda renovables, como el biog\u00e1s, es un paso adelante en la obtenci\u00f3n de energ\u00eda, junto con su hibridaci\u00f3n con energ\u00eda solar concentrada. Ambos objetivos est\u00e1n relacionados, siendo este proyecto un desarrollo tecnol\u00f3gico innovador para el uso de recursos energ\u00e9ticos de forma segura y sostenible con implicaciones claras como herramienta para combatir el cambio clim\u00e1tico.<\/p>\n

REFERENCIAS<\/strong><\/p>\n

Ab\u00e1nades, A., Rathnam, R. K., Gei\u00dfler, T., Heinzel, A., Mehravaran, K., M\u00fcller, G., & St\u00fcckrad, S. (2016). Development of methane decarbonisation based on liquid metal technology for CO2-free production of hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 41(19), 8159-8167.<\/span><\/span><\/em><\/p>\n

Davis, S. J., Caldeira, K., & Matthews, H. D. (2010). Future CO<\/span>2<\/span><\/sub> emissions and climate change from existing energy infrastructure. Science, 238(5997), 1330-1333.<\/span><\/span><\/em><\/p>\n

Gei\u00dfler, T., Ab\u00e1nades, A., Heinzel, A., Mehravaran, K., M\u00fcller, G., Rathnam, R. K., & Weisenburger, A. (2016). Hydrogen production via methane pyrolysis in a liquid metal bubble column reactor with a packed bed. Chemical Engineering Journa, 299, 192-200.<\/span><\/em><\/p>\n

Contacto<\/span><\/strong><\/span><\/p>\n

Javier Mu\u00f1oz Ant\u00f3n, Responsable en funciones \u00a0de Grupo\u00a0UPM-GIT del Programa ACES2030-CM. \u2013 <\/span>jamu\u00f1oz@etsii.upm.es<\/span><\/a><\/p>\n

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Instituto IMDEA Energ\u00eda.\u00a0<\/span><\/span><\/span><\/strong><\/span><\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Autores: \u00c1ngel Mart\u00ednez Rodr\u00edguez, \u00a0Alberto Ab\u00e1nades Velasco Grupo de Investigaciones Termoenerg\u00e9ticas, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid RESUMEN Se est\u00e1n desarrollando nuevos reactores para procesos a alta temperatura basados en el uso de metales l\u00edquidos, los cuales son capaces de permanecer en estado l\u00edquido con una muy baja presi\u00f3n de vapor hasta m\u00e1s all\u00e1 de los 1500 \u00baC. Esas caracter\u00edsticas termof\u00edsicas, junto con su alta conductividad\/difusividad t\u00e9rmica, los hace muy adecuados para el potencial tratamiento de hidrocarburos. Se busca realizar un avance tecnol\u00f3gico significativo para lograr el desarrollo de un reactor de burbujeo en metal l\u00edquido para el tratamiento de gas natural\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":[543,547,1],"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\/134156"}],"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=134156"}],"version-history":[{"count":12,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134156\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":134170,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134156\/revisions\/134170"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=134156"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=134156"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=134156"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}