{"id":134915,"date":"2021-09-20T16:21:26","date_gmt":"2021-09-20T15:21:26","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134915"},"modified":"2021-09-20T16:21:26","modified_gmt":"2021-09-20T15:21:26","slug":"analisis-comparativo-del-rendimiento-energetico-y-exergetico-en-metodos-de-produccion-de-hidrogeno","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2021\/09\/20\/134915","title":{"rendered":"An\u00e1lisis comparativo del rendimiento energ\u00e9tico y exerg\u00e9tico en m\u00e9todos de producci\u00f3n de hidr\u00f3geno"},"content":{"rendered":"

Autor:\u00a0\u00c1ngel Mart\u00ednez Rodr\u00edguez.\u00a0Grupo de Investigaciones Termoenerg\u00e9ticas, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid<\/em><\/strong><\/p>\n

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

La viabilidad de la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno como fuente de energ\u00eda sostenible con el fin de satisfacer la gran demanda energ\u00e9tica mundial, es actualmente un reto. Existen varias t\u00e9cnicas para producir hidr\u00f3geno, tanto maduras como en desarrollo. La elecci\u00f3n del m\u00e9todo de producci\u00f3n de hidr\u00f3geno tendr\u00e1 un alto impacto en la sostenibilidad de la econom\u00eda del hidr\u00f3geno. Un aspecto importante para la determinar la viabilidad de un proceso industrial es el c\u00e1lculo de las eficiencias energ\u00e9tica y ex\u00e9rgetica, as\u00ed como su integraci\u00f3n global en la econom\u00eda circular. Diferentes programas inform\u00e1ticos (DWSIM y MATLAB) junto con condiciones ya referenciadas, se han utilizado para llevar a cabo an\u00e1lisis te\u00f3ricos de energ\u00eda y exerg\u00eda para estimar la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno. El an\u00e1lisis consolida al reformado de metano o al reformado autot\u00e9rmico como las tecnolog\u00edas viables en el estado actual de la t\u00e9cnica, con eficiencias energ\u00e9ticas y exerg\u00e9ticas razonables, pero pendientes del impacto de las restricciones medioambientales como contramedidas a las emisiones de CO2<\/sub>. Sin embargo, el cracking de gas natural o la electr\u00f3lisis muestran resultados muy prometedores, y se debe avanzar en su madurez tecnol\u00f3gica y de escalado. La electr\u00f3lisis muestra una muy buena eficiencia exerg\u00e9tica debido a que la electricidad en s\u00ed misma es una alta fuente de exerg\u00eda. Las p\u00e9rdidas de exerg\u00eda de la pir\u00f3lisis son principalmente derivadas del carb\u00f3n s\u00f3lido formado, lo que tiene un potencial de integraci\u00f3n muy alto en la econom\u00eda del hidr\u00f3geno.<\/span><\/p>\n

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

The study of the viability of hydrogen production as a sustainable energy source is a current challenge, to satisfy the great world energy demand. There are several techniques to produce hydrogen, either mature or under development. The election of the hydrogen production method will have a high impact into the practical sustainability of the hydrogen economy. An important profile for the viability of a process is the calculation of energy and exergy efficiencies, as well as their overall integration into the circular economy. To carry out theoretically energy and exergy analyses we have estimated proposed hydrogen production using different software (DWSIM and MATLAB) and reference conditions. The analysis consolidates methane reforming or auto-thermal reforming as the viable technologies at the present state of the art, with reasonable energy and exergy efficiencies, but pending on the impact of environmental constraints as CO2 emission countermeasures. However, natural gas or electrolysis show very promising results, and should be advanced in their technological and scaling maturity. Electrolysis shows a very good exergy efficiency due to the fact that electricity itself is a high exergy source. Pyrolysis exergy loses are mostly in the form of solid carbon material, what has a very high integration potential into the hydrogen economy.<\/span><\/p>\n

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

El rol del hidr\u00f3geno en la transici\u00f3n energ\u00e9tica es de gran relevancia al ser considerado un vector alternativo para el almacenamiento de energ\u00eda y presentar la posibilidad de usarse como combustible. La cantidad de energ\u00eda producida por la combusti\u00f3n del hidr\u00f3geno es mayor que la producida por cualquier otro combustible (2,4, 2,8 y 4 veces m\u00e1s que el metano, la gasolina y el carb\u00f3n, respectivamente)[1]. El hidr\u00f3geno es el compuesto m\u00e1s simple y abundante del universo, sin embargo, no se encuentra en la naturaleza por s\u00ed mismo, normalmente est\u00e1 unido a mol\u00e9culas de ox\u00edgeno o de carbono, por lo que debe obtenerse mediante diferentes metodolog\u00edas.<\/span><\/p>\n

En la actualidad, se utilizan una gran variedad de procesos de producci\u00f3n de hidr\u00f3geno, que pueden dividirse en m\u00e9todos termoqu\u00edmicos, que consisten en la obtenci\u00f3n de hidr\u00f3geno a partir de hidrocarburos, y m\u00e9todos relacionados con la electr\u00f3lisis del agua. Algunas de las t\u00e9cnicas m\u00e1s maduras o prometedoras para su aplicaci\u00f3n en el futuro se pueden centrar en: reformado de metano con vapor (SMR) [2], [3], oxidaci\u00f3n parcial del metano (POM) [4], gasificaci\u00f3n del carb\u00f3n (CG) [5], reformado autot\u00e9rmico del metano (ATM) [6], electr\u00f3lisis del agua (WE) [7], gas natural pir\u00f3lisis (NGP) [8] y reformado en seco del metano (DRM) [9], [10].<\/span><\/p>\n

La comparativa de los diferentes m\u00e9todos citados para la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno desde el punto de vista energ\u00e9tico y exerg\u00e9tico sirve para evaluar sus limitaciones respecto a sus condiciones de implantaci\u00f3n. La diferencia entre las eficiencias energ\u00e9tica y ex\u00e9rgica es que la eficiencia energ\u00e9tica o t\u00e9rmica utiliza \u00fanicamente la fuente de calor como energ\u00eda de entrada y en el caso de la exerg\u00eda utiliza la fuente de combustible como energ\u00eda de entrada. En resumen, la eficiencia exerg\u00e9tica siempre ser\u00e1 relevante, y la eficiencia energ\u00e9tica s\u00f3lo lo ser\u00e1 en los casos en los que la fuente de energ\u00eda est\u00e9 en forma de calor [11].<\/span><\/p>\n

Los procesos se simularon con el simulador de procesos de c\u00f3digo abierto DWSIM [11]. De estas simulaciones se obtuvieron los resultados mostrados en la Figura 1.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 1: Comparaci\u00f3n entre eficiencias energ\u00e9ticas y exerg\u00e9ticas.<\/em><\/p>\n

El reformado de vapor de gas natural es la tecnolog\u00eda preferida en muchos proyectos ambiciosos de implantaci\u00f3n de hidr\u00f3geno. Entre los m\u00e9todos basados en combustibles f\u00f3siles disponibles a escala industrial, el reformado al vapor muestra la menor producci\u00f3n de CO<\/span>2<\/sub> por producto de hidr\u00f3geno a un coste razonable del mismo. Hoy en d\u00eda, es la opci\u00f3n preferida en combinaci\u00f3n con la captura y secuestro de carbono (CCS) para proyectos a gran escala. Por el contrario, la electr\u00f3lisis del agua es un m\u00e9todo libre de CO<\/span>2<\/sub> para la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno, sin embargo, los requisitos energ\u00e9ticos de la hidr\u00f3lisis son 4 veces superiores a los del reformado con vapor, lo que implica un proceso mucho m\u00e1s intensivo en energ\u00eda, con una fuerte dependencia de la regulaci\u00f3n y los costes del mercado de la electricidad renovable y una tensi\u00f3n mucho mayor sobre la capacidad de las instalaciones de energ\u00eda renovable.<\/span><\/span><\/p>\n

El an\u00e1lisis exerg\u00e9tico muestra las menores eficiencias, tanto para el reformado seco de metano como para la gasificaci\u00f3n del carb\u00f3n, aunque sean procesos maduros. En particular, la gasificaci\u00f3n del carb\u00f3n presenta una mayor producci\u00f3n de CO2<\/sub>, lo que implica que, a pesar de los aspectos econ\u00f3micos, parece estar en desventaja en su aplicaci\u00f3n en la transici\u00f3n energ\u00e9tica. El reformado en seco es un proceso que muestra una emisi\u00f3n neta de CO2<\/sub> similar a la del reformado con vapor, con la capacidad de reducir el CO2<\/sub> a CO en alg\u00fan punto del proceso, lo que podr\u00eda aumentar su inter\u00e9s en el contexto de la econom\u00eda circular.<\/span><\/p>\n

El impacto en la eficiencia energ\u00e9tica de la integraci\u00f3n global de las tecnolog\u00edas de producci\u00f3n de hidr\u00f3geno con una producci\u00f3n significativa de CO2<\/sub> debe complementarse con la consideraci\u00f3n de la captura y secuestro de carbono (CCS) para su implantaci\u00f3n en un futuro sostenible. En este sentido, la electr\u00f3lisis y la pir\u00f3lisis de gas natural no se ver\u00e1n muy afectadas. Hay otras cuestiones que deber\u00edan analizarse para obtener una imagen completa, como las emisiones inducidas por las fugas de gas natural o el ciclo de vida de los componentes de los electrolizadores. Sin embargo, estas tecnolog\u00edas tienen que enfrentarse al reto de poder alcanzar una capacidad muy alta de producci\u00f3n de hidr\u00f3geno. En particular, la pir\u00f3lisis del gas natural debe avanzar en su madurez. La producci\u00f3n de carbono como subproducto principal y su plena integraci\u00f3n en la econom\u00eda circular aumentar\u00eda el inter\u00e9s de la pir\u00f3lisis de metano, ya que requerir\u00e1 mucha menos energ\u00eda que la electr\u00f3lisis con el resultado adicional de un material \u00fatil (carb\u00f3n) para su posterior procesamiento.<\/span><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

[1] G. Marb\u00e1n and T. Vald\u00e9s-Sol\u00eds, \u201cTowards the hydrogen economy?,\u201d 2007. doi: 10.1016\/j.ijhydene.2006.12.017.<\/p>\n

[2] S. A. Bhat and J. Sadhukhan, \u201cProcess intensification aspects for steam methane reforming: An overview,\u201d AIChE J.<\/em>, vol. 55, no. 2, pp. 408\u2013422, Feb. 2009, doi: 10.1002\/aic.11687.<\/p>\n

[3] W. Maqbool, S. J. Park, and E. S. Lee, \u201cSteam methane reforming of natural gas with substantial carbon dioxide contents – Process optimization for gas-to-liquid applications,\u201d in Applied Mechanics and Materials<\/em>, 2014, vol. 548\u2013549, pp. 316\u2013320, doi: 10.4028\/www.scientific.net\/AMM.548-549.316.<\/p>\n

[4] P. Corbo and F. Migliardini, \u201cHydrogen production by catalytic partial oxidation of methane and propane on Ni and Pt catalysts,\u201d Int. J. Hydrogen Energy<\/em>, vol. 32, no. 1, pp. 55\u201366, Jan. 2007, doi: 10.1016\/j.ijhydene.2006.06.032.<\/p>\n

[5] S. Lin, M. Harada, Y. Suzuki, and H. Hatano, \u201cHydrogen production from coal by separating carbon dioxide during gasification,\u201d Fuel<\/em>, vol. 81, no. 16, pp. 2079\u20132085, Nov. 2002, doi: 10.1016\/S0016-2361(02)00187-4.<\/p>\n

[6] J. De Castro, R. Rivera-Tinoco, and C. Bouallou, \u201cHydrogen production from natural gas: Auto-Thermal Reforming and CO 2 capture,\u201d in Chemical Engineering Transactions<\/em>, 2010, vol. 21, pp. 163\u2013168, doi: 10.3303\/CET1021028.<\/p>\n

[7] S. Shiva Kumar and V. Himabindu, \u201cHydrogen production by PEM water electrolysis \u2013 A review,\u201d Mater. Sci. Energy Technol.<\/em>, vol. 2, no. 3, pp. 442\u2013454, Dec. 2019, doi: 10.1016\/j.mset.2019.03.002.<\/p>\n

[8] C. Gu\u00e9ret, M. Daroux, and F. Billaud, \u201cMethane pyrolysis: Thermodynamics,\u201d Chem. Eng. Sci.<\/em>, vol. 52, no. 5, pp. 815\u2013827, Mar. 1997, doi: 10.1016\/S0009-2509(96)00444-7.<\/p>\n

[9] L. C. Buelens, V. V. Galvita, H. Poelman, C. Detavernier, and G. B. Marin, \u201cSuper-dry reforming of methane intensifies CO2 utilization via le Chatelier\u2019s principle,\u201d Science (80-. ).<\/em>, vol. 354, no. 6311, pp. 449\u2013452, Oct. 2016, doi: 10.1126\/science.aah7161.<\/p>\n

[10] P. Summa, B. Samojeden, and M. Motak, \u201cDry and steam reforming of methane. Comparison and analysis of recently investigated catalytic materials. A short review,\u201d Polish J. Chem. Technol.<\/em>, vol. 21, no. 2, pp. 31\u201337, 2019, doi: 10.2478\/pjct-2019-0017.<\/p>\n

[11] A. Mart\u00ednez-Rodr\u00edguez and A. Ab\u00e1nades, \u201cComparative analysis of energy and exergy performance of hydrogen production methods,\u201d Entropy<\/em>, vol. 22, no. 11, pp. 1\u201317, Nov. 2020, doi: 10.3390\/e22111286.<\/p>\n

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

\u00c1ngel Mart\u00ednez Rodr\u00edguez, Investigador del grupo UPM-GIT\u00a0del Programa ACES2030-CM.<\/p>\n

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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