Desarrollo tecnológico de equipo generador de hidrógeno verde
Área temática: Energía.
Palabras clave: Hidrógeno verde, Energía solar, Medios porosos, Water-splitting.
1 Resumen (primera y única sección)
1.1 Cuál es el problema que se aborda en la contribución y por qué es interesante
Se aborda la emisión de gases de efecto invernadero (CO2 en mayor parte) asociadas al uso de combustibles fósiles como fuente energética, lo cual es la principal causa del calentamiento global. Ante esto, el hidrógeno (H2) se ha posicionado como un vector energético muy atractivo, ya que permite almacenar, transportar y utilizar energía renovable, mitigando así emisiones de CO2 [1], y disminuyendo la dependencia de los hidrocarburos.
Chile cuenta con recursos privilegiados para producir hidrógeno verde (H2V) a partir de energías renovables, con alta radiación solar en el norte del país, y fuertes vientos al sur, lo que permite lograr un costo de producción muy competitivo a nivel mundial. Además, dentro del Plan de Acción Hidrógeno Verde chileno, se han comenzado a dar los primeros lineamientos para el despliegue de esta nueva industria [2].
1.2 Cuál es la contribución principal del trabajo, los resultados fundamentales obtenidos y su novedad frente a otros trabajos recientes existentes
El objetivo del presente trabajo es presentar la optimización de un primer prototipo de reactor de water-splitting (WS) diseñado y construido para la generación de H2V, para el cual se cuenta, además con un modelo numérico validado experimentalmente [3]. El H2V se genera mediante ciclos termoquímicos de dos etapas: reducción-oxidación [4], utilizando óxidos de metal en formato de medio poroso. Una característica distintiva de este sistema es que puede alimentarse de forma híbrida utilizando energía solar concentrada y fotovoltaica, lo que no ha sido reportado hasta la fecha en la literatura especializada. Al trabajar con un medio poroso se espera lograr eficiencias competitivas con otras soluciones presentes en el mercado, ya que esta tecnología permite intensificar los procesos de transferencia de calor y masa al interior del reactor [5].
1.3 Describir brevemente el método empleado
Por un lado, a partir de resultados previos [3], se rediseña y fabrica un novedoso reactor de WS el cual incluye un sistema de calentamiento mediante resistencia eléctrica energizada por paneles fotovoltaicos, y además se acopla a un concentrador solar. Para la etapa de reducción, se trabaja a altas temperaturas (~ 1000 K), usando nitrógeno como gas de arrastre para desplazar el oxígeno liberado. Luego, en la etapa de oxidación (~ 700 K), se utiliza vapor de agua (H2Og) como oxidante y como gas de arrastre, obteniendo H2V y H2Og como resultado. Se cuenta con un sistema de tratamiento de gases a la salida del reactor, para luego utilizar un equipo analizador de gases. Se mejoran la componente óptica relacionada a la captación de radiación solar concertada, el diseño de la cámara de reacción, el aporte de calor por resistencia eléctrica y la cuantificación de H2V producido. Por otro lado, se utiliza un modelo numérico 1-D implementado en FORTRAN para las reacciones de reducción y oxidación, representando la situación física del reactor de WS. Las ecuaciones del modelo se discretizan implícitamente, y el sistema generado se resuelve mediante el método TDMA (Tri-Diagonal Matriz Algorithm). El modelo matemático se encuentra validado experimentalmente, y se utiliza para determinar los parámetros de operación que permitan mejorar la eficiencia y la producción de H2V del reactor rediseñado. Algunos de los parámetros estudiados son la velocidad de los gases de entrada, el aumento de la potencia entregada durante la etapa de reducción, y la duración de cada etapa.
Referencias
1. Dawood, F., el al.: Hydrogen production for energy: An overview. International Journal of Hydrogen Energy, 45, 3847-3869 (2020)
2. Plan de acción hidrógeno verde, https://www.planhidrogenoverde.cl, último acceso 2024/03/28.
3. Rojas. P, Alegría, N. Toledo, M..: Modelación numérica de un reactor de water-splitting termoquímico de dos etapas basado en un ciclo reducción-oxidación de óxido de cerio. En: Universidad Politécnica de Madrid. (eds.) CIBIM 2022, vol. XV. UNED (2022).
4. Wang, B., Li, X., Dai, Y., Wang, C.:Thermodynamic analysis of an epitrochoidal rotary reactor for solar hydrogen production via water-splitting thermochemical cycle using nonstoichiometric ceria. Energy Conversion and Management, 28, 115968 (2022).
5. Al-Hamamre, A., et al.: The use of inert porous media based reactors for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 35, 1971-1986 (2010).
