Hydrogen production from biomass (in Spanish)
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“PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE BIOMASA” PROYECTO DE ASIGNATURA: SISTEMAS BASADOS EN EL HIDRÓGENO 2014-2015 __________________________________AUTOR__________________________________ DOUDOU YASSINE _____________________________________________________________________________ MÁLAGA - JUNIO 2015
Transcript of Hydrogen production from biomass (in Spanish)
“PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE
BIOMASA”
PROYECTO DE ASIGNATURA:
SISTEMAS BASADOS EN EL HIDRÓGENO
2014-2015
__________________________________AUTOR__________________________________
DOUDOU YASSINE
_____________________________________________________________________________
MÁLAGA - JUNIO 2015
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Contenido 1. Introducción .............................................................................................................................. 3
2. Análisis de las publicaciones de investigación .......................................................................... 5
2.1. Documentos por fuente (revista) y por año. ...................................................................... 5
2.2. Documentos por autores ................................................................................................... 6
2.3. Documentos por país. ........................................................................................................ 7
3. Tecnologías existentes para producir hidrógeno a partir de biomasa. ..................................... 8
3.1. Procesos biológicos ............................................................................................................ 8
3.1.1. Biofotolisis directa ....................................................................................................... 9
3.1.2. Fermentación oscura ................................................................................................. 10
3.1.3. Foto fermentación ..................................................................................................... 11
3.2. Procesos termoquímicos .................................................................................................. 12
3.2.1. La pirólisis .................................................................................................................. 12
3.2.2. La gasificación ........................................................................................................... 13
3.3. Desafíos y necesidades en I + D ....................................................................................... 17
4. Gasificación de la biomasa ...................................................................................................... 18
4.1. Tipo de biomasa ............................................................................................................... 19
4.2. Tamaño de partícula ........................................................................................................ 19
4.3. Temperatura..................................................................................................................... 20
4.4. El uso de catalizadores ..................................................................................................... 21
4.5. Agente gasificante ............................................................................................................ 22
5. Conclusiones............................................................................................................................ 24
6. Referencias .............................................................................................................................. 25
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
1. Introducción
La economía actual depende mucho del petróleo. Esto supone unas preocupaciones debido a
la limitación de los recursos, la inestabilidad en los países de origen, un gran impacto
ambiental y consideraciones de salud y seguridad.
En las últimas décadas, ha habido un creciente interés en la búsqueda de nuevas fuentes y
vectores de energía para asegurar las necesidades energéticas y que podrían reducir la
dependencia del petróleo.
El hidrógeno parece ser un buen candidato como vector energético. Es un elemento
abundante y limpio, pero, ya que normalmente no se produce en grandes cantidades, tiene
que ser producido a partir de otras fuentes como por ejemplo, del metano contenido en el gas
natural mediante un proceso de reformado.
Las fuentes renovables de hidrógeno incluyen biomasa, solar, eólica y nuclear. De ellos sólo la
biomasa puede generar hidrógeno directamente. En el resto de las fuentes renovables se tiene
que realizar una electrólisis para la producción de hidrógeno. Por otra parte, la biomasa es a
menudo abandonada en la naturaleza como tal. Por lo tanto, si la biomasa se utiliza para la
producción de hidrógeno, no sólo protege el medio ambiente, sino que también proporciona
una fuente sostenible para el hidrógeno. Los combustibles de biomasa y de sus derivados son
las fuentes de energía renovables que se pueden utilizar para producir hidrógeno de forma
sostenible.
Según el estudio realizado por Balat [3] al cabo de cien años, la gasificación de biomasa será
el método más usado después del SMR para obtener hidrógeno.
Imagen 1. Métodos dominantes para producir hidrógeno para el periodo 2000-2100.
Fuente: [3]
Ventajas de la biomasa:
Reduce la dependencia de los combustibles fósiles
Proporciona una fuente sostenible de energía
Reduce las emisiones de efecto invernadero
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Incrementa el valor de la producción agrícola
Reduce los residuos agrícolas y urbanos
Limitaciones:
Baja densidad energética
Voluminosidad y alto contenido de humedad
Disponibilidad estacional
Formación de carbón y alquitranes
Las fuentes energéticas más importantes de biomasa son la madera, residuos de madera,
cultivos energéticos, aguas residuales urbanas, residuos agrarios (agrícolas, ganaderos y
forestales), cultivos acuáticos y algas. [3]
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
2. Análisis de las publicaciones de investigación
Con el fin de tener una visión general de las publicaciones de investigación se ha realizado un
análisis de la misma.
Para ello se ha utilizado Scopus. Esta es una base de datos de referencias bibliográficas y citas
de la empresa Elsevier.
Se ha realizado una búsqueda avanzada con los siguientes parámetros:
TITLE-ABS-KEY ( hydrogen production ) AND TITLE-ABS-KEY ( biomass )
AND PUBYEAR > 2007
Esta búsqueda nos arrojó un resultado de 4091 artículos que se han examinado con la
herramienta de análisis.
2.1. Documentos por fuente (revista) y por año.
Imagen 2. Análisis de los documentos por fuente
Fuente: Scopus.
En la imagen 2 podemos ver que destacan 2 revistas principales, ambas publicadas por
Elsevier.
1. Bioresource Technology
Subject Area: Chemical Engineering: Bioengineering
Environmental Science: Environmental Engineering
Environmental Science: Waste Management and Disposal
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Publisher: Elsevier Limited
2. International Journal of Hydrogen Energy
Subject Area: Energy: Energy Engineering and Power Technology
Energy: Fuel Technology
Energy: Renewable Energy, Sustainability and the Environment
Physics and Astronomy: Condensed Matter Physics
Publisher: Elsevier Limited
2.2. Documentos por autores
Imagen 3. Análisis de los documentos por autor
Fuente: Scopus.
Si realizamos un análisis por autor destacan 2 principales:
1. Ren, Nanqi
Harbin Institute of Technology, State Key Laboratory of Urban Water Resource and
Environment, Harbin, China
2. Yusup, Suzana Bt
Universiti Teknologi Petronas, Biomass Processing Lab, Tronoh, Malaysia
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
2.3. Documentos por país.
Imagen 4. Análisis de los documentos por país.
Fuente: Scopus.
Finalmente, si analizamos los documentos según el país de origen, encontramos que hay dos
países pioneros en este tipo de publicaciones: Estados Unidos y China.
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
3. Tecnologías existentes para producir hidrógeno a partir de biomasa.
Existen pocos procesos disponibles para la producción de hidrógeno a partir de biomasa. Estos
pueden dividirse en dos grupos principales [3], dependiendo del mecanismo de
transformación: termoquímicos y biológicos, tal como podemos observar en la imagen 5:
Imagen 5. Diferentes caminos para pasar de biomasa a hidrógeno.
Fuente: [7].
3.1. Procesos biológicos
BHP (biological hydrogen production) es un área nueva que utiliza microorganismos que
producen libremente y de manera eficiente H2 como un subproducto durante el metabolismo.
La energía solar o electrones contenidos en compuestos orgánicos o inorgánicos se pueden
convertir a H2. Los microbios producen H2 para dos propósitos principales. El primero es
disponer de un exceso de equivalentes reductores durante el metabolismo fermentativo. En
segundo lugar, H2 es un subproducto de la acción de la nitrogenasa, la enzima que es necesaria
para la fijación de N2.[7]
Como se muestra en imagen 6, BHP se puede dividir en gran medida en procesos que
dependen de la energía lumínica y las que no [7]. En este apartado se explican tres de ellos,
biofotólisis directa, foto-fermentación y fermentación oscura.
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Imagen 6. Clasificación de los métodos biológicos de producción de H2
Fuente: [7].
3.1.1. Biofotolisis directa
La biofotolisis consiste en la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno
mediante la acción combinada de la luz solar y la capacidad fotosintética de plantas
verdes, ciertas bacterias y algas azules.
La investigación del proceso de biofotolisis ha conocido grandes progresos en la última
década, en cuanto a la caracterización bioquímica de las algas que son capaces de
hacerlo y las condiciones necesarias para que la producción de hidrógeno ocurra, pero
falta un largo camino que recorrer para la obtención del alga superproductora y diseño
de los adecuados fotobioreactores que permitan alcanzar la realización de un proceso
tecnológicamente práctico para que la producción de hidrógeno a partir de luz, agua,
dióxido de carbono y algas verdes, se convierta en la mayor fuente biológica de
energía renovable, sin emisión de gases con efecto invernadero ni contaminación
medio ambiental. [6]
La biofotolisis se basa en dos pasos:
1. Fotosíntesis: 𝟐𝑯𝟐𝑶 → 𝟒𝑯+ + 𝟒𝒆 + 𝑶𝟐
2. Producción de hidrógeno: 𝟒 𝑯+ + 𝟒𝒆 → 𝟐𝑯𝟐
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Imagen 7. Principio de la producción de hidrógeno por biofotolisis
Fuente: Hydrogen production and storage [1]
Imagen 8. Representación esquemática de la producción de hidrógeno por biofotolisis
y su uso en una pila de combustible.
Fuente: [2]
3.1.2. Fermentación oscura
La fermentación oscura utiliza bacterias anaerobias principalmente, aunque también
se utilizan algunas algas, sobre sustratos ricos en hidratos de carbono cultivadas en la
oscuridad. Para los procesos fermentativos, la biomasa utilizada debe ser
biodegradable, disponible en cantidades elevadas, de bajo coste, y tener un alto
contenido de hidratos de carbono. Azúcares simples puros, que son fácilmente
biodegradable tales como la glucosa y la lactosa son preferibles, pero no están
fácilmente disponibles en grandes cantidades y / o son relativamente caros.
Las vías de producción dependen del tipo de bacterias usadas. Por vía fermentativa
estándar tiene una producción máxima teórica de 4 moles de hidrógeno por mol de
glucosa. Actualmente procesos fermentativos producen 2.4 a 3.2 moles de hidrógeno
por mol de glucosa. Sin embargo, puede ser posible cambiar la vía fermentativa
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
usando ingeniería molecular con el objetivo de aumentar máximo teórico de
producción de hidrógeno a 12 moles de hidrógeno por mol de glucosa. El gas
producido es una mezcla de hidrógeno, dióxido de carbono, metano, monóxido de
carbono y sulfuro de hidrógeno. Por lo tanto se requiere una etapa de separación para
producir hidrógeno de alta pureza. [6]
Entre los parámetros de funcionamiento de la producción fermentativa H2, el pH se
considera una variable clave que afecta a la hidrólisis del sustrato, la actividad de
hidrogenasa y las vías metabólicas.[5]
En la imagen 9 se muestra la producción de H2 acumulativa específica. Se ha
encontrado que tanto la evolución temporal de la producción de biogás y el
rendimiento final estarán afectados por el pH operativo, mostrando claramente que el
control del pH adecuado es uno de los factores clave para la producción de H2
significativa a alcanzar. [5]
Imagen 9. a) producción acumulada específica de H2; b) H2 contenido en biogás a diferencites
pH operativos.
Fuente: [5]
3.1.3. Foto fermentación
La foto fermentación es una conversión fermentativa de sustratos orgánicos por un grupo
diverso de bacterias fotosintéticas que utilizan la luz del sol como energía para convertir
compuestos orgánicos en hidrógeno y CO2. Este proceso tiene lugar en condiciones anóxicas o
anaeróbicas y mediante el uso de bacterias fotosintéticas y la luz solar como energía. Existen 4
principales bacterias que pueden llevar a cabo este tipo de proceso. [2]
En la imagen 10 podemos ver cómo las bacterias bacterias capturan energía solar para
producir ATP y electrones de alta energía. Luego la nitrogenasa de la bacteria combina ATP,
protones de hidrógeno disueltos en agua y electrones para generar hidrógeno. El organismo
es incapaz de obtener electrones del agua por lo que se requiere del uso de compuestos
orgánicos (ácidos orgánicos) como sustratos. [2]
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Imagen 10. Proceso de foto fermentación mediante una bacteria fotosintética.
Fuente: [2]
3.2. Procesos termoquímicos
3.2.1. La pirólisis
La pirólisis es un proceso de descomposición térmica que tiene lugar en ausencia de oxígeno
para convertir la biomasa en carbón vegetal sólido, líquido (bio-aceite), y gases a
temperaturas elevadas. Hay tres etapas para un proceso de pirólisis típico. La primera etapa,
pre-pirólisis, se produce entre 120 y 200 ºC con una pérdida de peso leve, cuando se llevan a
cabo algunos reordenamientos internos, tales como la rotura del enlace, la aparición de
radicales libres, y la formación de grupos carbonilo, con una correspondiente liberación de
pequeñas cantidades de H2O, CO y CO2. La segunda etapa es el proceso de pirólisis principal,
durante el cual se produce la descomposición sólida, acompañada por una pérdida de peso
significativa de la biomasa alimentada inicialmente. La última etapa es la desvolatilización
continua de Char, causada por la escisión adicional de enlaces C-H y C-O. [13].
Imagen 11. Degradación térmica una partícula sólida de biomasa: Secado, pirólisis primaria y
pirólisis secundaria.
Fuente: [10]
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Dependiendo de la temperatura de reacción y tiempo de residencia, la pirólisis se puede dividir
en pirólisis rápida, intermedia, y lenta. En la tabla 3 enumeran las condiciones de reacción y los
rendimientos de producto de varios procesos de pirólisis, en comparación con el proceso de
gasificación. Típicamente, la pirólisis rápida tiene un tiempo de residencia extremadamente
corto (≈ 1 s); la temperatura de reacción es de aproximadamente 100 ºC más alta que la de
pirólisis lenta (≈ 500 ºC vs. ≈400 ºC). Tiempos de reacción cortos combinados con una
temperatura elevada generalmente resulta en un mayor rendimiento de producto líquido. En
contraste, la pirólisis lenta con temperaturas de reacción relativamente más bajas y tiempos
de residencia más largos produciría cantidades similares de líquido, char sólido, y productos de
gas. La combinación de todos los factores mencionados anteriormente, se puede concluir que
con el fin de maximizar el rendimiento de carbón vegetal, bajas temperaturas y bajas
velocidades de calentamiento son necesarios. Si el líquido es el producto deseado, una
combinación de temperatura moderada, el tiempo de residencia del gas corto, y la alta
velocidad de calentamiento es esencial.[13]
Imagen 12. Redimientos de producto típicos (biomasa seca) de pirólisis comporados con los de
la gasificación.
Fuente: [13]
3.2.2. La gasificación
La gasificación es la oxidación parcial térmica, lo que resulta en una alta proporción de
productos gaseosos (CO2, agua, monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos gaseosos),
pequeñas cantidades de char (producto sólido), cenizas y compuestos condensables
(alquitranes y aceites).
Vapor, aire u oxígeno se suministra a la reacción como agente oxidante. El gas producido
puede ser estandarizado por su calidad y es más fácil y versátil de usar que la biomasa original
(por ejemplo puede ser utilizado para motores de gas y turbinas de gas de alimentación o
como materia prima química para la producción de combustibles líquidos). La gasificación
añade valor bajo a materias primas mediante su conversión en combustibles y productos
comercializables.
La química de la gasificación de biomasa es muy compleja (imagen 14). En términos generales,
el proceso de gasificación consta de las siguientes etapas [2]:
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
1. Secado. En esta etapa, se reduce el contenido de humedad de la biomasa.
Típicamente, el contenido de humedad de la biomasa varía desde 5% a 35%. El secado
se produce a aproximadamente 100-200 ºC con una reducción en el contenido de
humedad de la biomasa hasta unos valores inferiores al 5%.
2. Desvolatilización (pirólisis). Esta es esencialmente la descomposición térmica de la
biomasa en ausencia de oxígeno o aire. En este proceso, se reduce la materia volátil en
la biomasa. Esto resulta en la liberación de gases de hidrocarburos, debido a que la
biomasa se reduce a carbón sólido. Los gases de hidrocarburos pueden condensar a
una temperatura suficientemente baja para generar alquitranes líquidos.
3. La oxidación. En esta etapa se tiene lugar la reacción entre la biomasa carbonizada
sólida y el oxígeno en el aire, resultando en la formación de CO2. El hidrógeno
presente en la biomasa también se oxida para generar agua. Una gran cantidad de
calor se libera con la oxidación del carbono y el hidrógeno. Si el oxígeno está presente
en cantidades subestequiométricas, se puede producir la oxidación parcial de carbón,
lo que resulta en la generación de monóxido de carbono.
4. Reducción. En ausencia (o presencia subestequiométrica) de oxígeno, varias
reacciones de reducción se producen en el rango de temperatura 800-1000ºC. Estas
reacciones son en su mayoría endotérmicas. Las principales reacciones de esta
categoría son los siguientes:
Imagen 13. procesos que tienen lugar en un gasificador: principalmente pirólisis del
combustible sólido y reformado/gasificación del producto gaseoso resultante y Char.
Fuente : [2]
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Imagen 14. Ubicación de cada reacción en el gasificador a su temperatura correspondiente.
El diseño de reactores de gasificación se ha investigado durante más de un siglo, lo que ha
dado lugar a la disponibilidad de varios diseños para pequeñas y grandes escalas. Se pueden
clasificar de varias maneras [12]:
Por el agente gasificante:
Gasificadores de aire
Gasificadores de oxígeno
Gasificadores de vapor de agua
Por la presión de trabajo:
Atmosféricos
Presurizados
Por el diseño del gasificador:
Lecho fijo (updraft, downdraft, cross-draft and open-core): El gasificador de lecho fijo
tiene un lecho de partículas de combustible sólido a través del cual los agentes
gasificantes y el gas, ya sea si se mueven hacia arriba (corriente ascendente), se
mueven hacia abajo (corriente descendente) o son introducidos desde un lado del
reactor y se liberan desde el otro lado en el mismo nivel horizontal (cross-proyecto). Es
el tipo más simple de gasificador, por lo general consiste en un espacio cilíndrico para
el combustible y los agentes gasificantes con una unidad de alimentación de
combustible, una unidad de ceniza del desmontaje y una salida de gas. En el
gasificador de lecho fijo, el lecho de combustible se mueve lentamente por el reactor a
la vez que se produce la gasificación. Los gasificadores de lecho fijo son fáciles de
construir y generalmente operan con alta conversión de carbono, largo tiempo de
residencia, baja velocidad de gas y bajo contenido de cenizas de arrastre.
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Imagen 15. a) downdraft, b) updraft c) cross-draft
Lecho fluidizado (burbujeante, circulante y de doble lecho): El agente gasificante se
sopla a través de un lecho de partículas sólidas a una velocidad suficiente para
mantener las partículas en un estado de suspensión.
Las partículas de combustible se introducen en la parte inferior del reactor, se mezclan
muy rápidamente con el material del lecho, y casi instantáneamente se calientan
hasta la temperatura del lecho. Como resultado de este tratamiento, el combustible se
piroliza muy rápido, lo que resulta en una mezcla de componente con una cantidad
relativamente grande de materiales gaseosos. Otras reacciones de gasificación y
conversión de alquitrán de se producen en la fase de gas. La gasificación de doble
lecho utiliza dos reactores de lecho fluidizado. La biomasa entra en el primer reactor,
donde se gasifica con vapor de agua, y el carbón restante es transportado al segundo
reactor, donde se quema con aire para producir calor. El calor se transporta al reactor
de gasificación por el material del lecho, normalmente arena. El gas de combustión y el
gas producto tienen dos salidas separadas.
Imagen 16. Gasificador de lecho fluidizado burbujeante(a) y circulante (b)
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
Con la revisión de los fabricantes de gasificadores en Europa, Estados Unidos y Canadá
se identificó 50 fabricantes que ofrecen plantas de gasificación comerciales, de los
cuales 75% fueron de tipo corriente descendente de lecho fijo, 20% eran sistemas de
lecho fluidizado, 2,5% eran del tipo corriente ascendente, y 2,5% eran diseños varios.
3.3. Desafíos y necesidades en I + D
Tabla1. Visión general de los retos y necesidades de investigación para cada tipo de proceso
Procesos termoquímicos Procesos biológicos
Desafíos
Altos costes de reactores
Eficiencia
Impurezas del combustible
Captura y almacenamiento de CO2
Microorganismos eficientes para una producción sostenible
Materiales de los reactores
Tecnología a largo plazo
Necesidades en I + D
Desarrollo de separación/purificación eficiente y de bajo coste
Mejorar la tolerancia de catalizadores a impurezas
Desarrollar componentes más eficientes y robustas para el sistema en conjunto
Reducir los costes de almacenamiento, preparación y manipulación de la biomasa
Desarrollar enfoques eficientes de captura y almacenamiento de CO2
Desarrollar formas económicas de controlar la calidad del hidrógeno
Desarrollar gasificadores coalimentados por biomasa y carbón
Incrementar la cantidad de biomasa asequible
Desarrollar la funcionalidad de microorganismos para una producción eficiente y sostenible
Identificar y caracterizar nuevos microorganismos
Desarrollar métodos baratos para hacer crecer y mantener los microbios.
Desarrollar materiales de bajo coste y durables con propiedades especializadas para su uso en biorreactores.
Optimizar el sistema para la gestión variable de producción y gestión de ciclos diurnos.
Diseño de procesos de fabricación masiva a bajo costo
Beneficios clave
Proporciona combustible sintético bajo costo, además de hidrógeno.
Limpia y sostenible
Auto-suficiente
Tolerancia para diversas condiciones del agua.
Fuente: Overview of technology options, Hydrogen production [4]
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
4. Gasificación de la biomasa
El proceso más importante y más utilizado actualmente para la producción del hidrógeno a
partir de la biomasa es el de gasificación. En el apartado anterior se ha ofrecido una visión
general del proceso. En este apartado se va a hacer un análisis más detallado.
Hay algunos parámetros que influyen en el rendimiento de hidrógeno generado durante la
gasificación de biomasa [11]. Estos factores son el tipo de biomasa; el tamaño de las
partículas de biomasa, la temperatura de operación, la proporción vapor/biomasa, la adición
de catalizadores, etc. Los parámetros y sus efectos sobre el rendimiento de hidrógeno de la
gasificación de biomasa se resumen en la Tabla 2.
Tabla 2.
Parámetro Descricpión Efecto Tipo de biomasa Diferentes tipos de residuos y
cultivos La composición del gas producto depende mucho de la composición biomásica.
Tamaño de partícula Se refiere a las dimensiones de las partículas de biomasa que alimentan al gasificador
Influye en la transferencia de calor y masa que influye a su vez en el gas producto y su composición.
Temperatura Temperatura de gasificación que se da después de la zona de pirolisis.
Bajas temperaturas favorecen la producción de Char y metano. Las temperaturas óptima de producción de hidrógeno con 800-900 ºC
Relación vapor-biomasa (S/B)
Relación masa de vapor/ masa de biomasa
Bajos S/B producen más metano y Char. Altos S/B favorecen producción de hidrógeno.
Presión del proceso La gasificación ocurre a una presión constante en el reactor
El equilibrio químico indica que la gasificación es favorecida por bajas presiones y altas temperaturas.
Catalizadores Materiales en pequeñas cantidades que se añaden al proceso para acelerar la velocidad de reacción.
Favorecen la producción de hidrógeno
Ralación adsorbente/biomasa
Materiales en pequeñas cantidades que se añaden para adsorber el CO2 producido durante el proceso
La eliminación de CO2 incrementa la producción de syngas.
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
4.1. Tipo de biomasa
Toda la biomasa está compuesta principalmente por celulosa, hemi-celulosa y lignina y su
composición difiere de una a otra. Estos componentes tienen un papel importante en la
descomposición de la biomasa. Generalmente, composiciones grandes de celulosa y lignina
favorecen una mejor producción de syngas. Así, la producción de hidrógeno a partir de
biomasa se basa en la naturaleza intrínseca y el contenido de humedad. [11]
Muchas especies de biomasa se han probado hasta el momento para generar hidrógeno a
partir de biomasa mediante la gasificación. Algunos de ellos son:
Serrín de pino, cáscara de almendra, la cáscara de café, madera ceedar, aguas
residuales, los residuos de aceite de palma, residuos sólidos urbanos, el papel, madera
de haya, paja de trigo, mazorca de maíz, madera de abeto, residuos de té, algas,
residuos de madera, cáscara de arroz..etc
4.2. Tamaño de partícula
El efecto del tamaño de partículas de biomasa en la producción de hidrógeno es significativo.
Las partículas más pequeñas proporcionan mayor superficie por unidad de masa. Esta mayor
superficie mejora la transferencia de calor y masa entre las partículas. Debido a la efectiva
transferencia de calor, la eficacia de la reacción de gasificación (reacción Boudouard, la
reacción del gas de agua, reacciones de conversión de carbono) mejora significativamente. La
mejora de la eficacia de las reacciones de gasificación con el tiempo conlleva consigo una
mejor en la producción de H2 y CO, a costa de la disminución del contenido en CO2. La
producción de alquitrán y carbón también se reduce.
En la imagen 17 podemos ver cómo la producción de hidrógeno aumenta y la de CO2
disminuye a medida que disminuye el tamaño de partícula de biomasa. [8]
Imagen 17. Variación de la composición del syngas con el tamaño de partícula.
Fuente: [8]
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
En esta otra imagen 18, podemos constatar lo mismo, la producción de hidrógeno es mejor
para pequeñas partículas. Se ha introducido también el factor de temperatura que se va
comentar a comentar a continuación en el siguiente apartado. Se puede decir que la biomasa
en polvo es la mejor opción.
Imagen 18. Variación de la composición del syngas con el tamaño de partícula y temperatura.
Fuente: [8]
4.3. Temperatura
La temperatura es el factor más influyente en la producción de hidrógeno durante la
gasificación de biomasa.
Generalmente, el aumento de la temperatura aumenta la velocidad de calentamiento entre las
partículas. Esto conduce a la destrucción efectiva de las partículas y conlleva reacciones de
gasificación completas (combustión, Boudouard, la formación de metano, conversión de CO, y
reacciones de reformado de metano). Como resultado se ha visto que el rendimiento de
producción de syngas mejora con altos contenidos en H2 y metano. Además el aumento
significativo de la temperatura descompone térmicamente las moléculas de alquitrán en
productos más gaseosos (ligeros). [11]
Tal como vimos en la imagen 18, le hecho de pasar de una temperatura de 600 ºC a
900ºC casi triplica la producción de hidrógeno.
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
4.4. El uso de catalizadores
Hasta el día de hoy se hicieron muchos estudios para ver como varía la producción de
hidrógeno con gasificasción de biomasa utlilizando distintos catalizadores.
Algunos de los catalizadores estudiados son dolomita; catalizadores a base de Ni,
metal alcalino, alúmina, silicato de alúmina, K2CO2, Na2CO3, K2CO3 y ZnCl2. El
catalizador facilita la transferencia de masa y calor entre partículas. Esto a su vez
mejora la eficiencia de las reacciones de gasificación (combustión, Boudouard, la
formación de metano, etc). El aumento de la eficiencia de las reacciones de
conversión de CO y el reformado de metano contribuyen en el la mejora de
producción de hidrógeno y monóxido de carbono. Los catalizadores no sólo provocan
las reacciones de gasificación pero también ayudan en la destrucción de alquitrán. La
destrucción de alquitrán también contribuye para la producción de hidrógeno. Por lo
tanto el rendimiento de hidrógeno en general se mejora por medio de aumento de la
eficiencia de las reacciones de gasificación y también por la destrucción de alquitrán.
[11]
Ni en sus estudio encontró de que la dolomía, catalizadores basados en Ni y óxidos
de metales alcalinos catalizadores son los mejores para las reacciones de gasificación.
Balat [3] encontró que el uso del catalizador no afecta el rendimiento de gas, pero
controla firmemente la composición del gas.
En algunos estudios se ha descubierto lo siguiente:
La dolomía, catalizadores basados en Ni y óxidos de metales alcalinos
catalizadores son los mejores para las reacciones de gasificación.
El uso del catalizador no afecta el rendimiento de gas, pero controla
firmemente la composición del gas.
En otro estudio se encontró que catalizadores de silicato alumino son más
activos la gasificación de carbón y que el silicato de níquel son adecuados para
hidrocarburos más ligeros.
Los catalizadores se emplean en procesos de gasificación para impulsar el
rendimiento y calidad del gas producido y también para destruir alquitrán.
Actualmente una amplia investigación está en proceso para desarrollar un catalizador
altamente estable, eficiente, barato y altamente reactivo para la gasificación de
biomasa para promover el rendimiento de hidrógeno. Sin embargo el desarrollo de un
catalizador óptimo es complicado, ya que implica la comprensión integral de la cinética
de gasificación y mecanismos de reacción.
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
4.5. Agente gasificante
Por último se van a exponer los resultados cómo influye el uso de un gasificante o de
otro en la composición del syngas. Este parámetro junto con la temperatura son los
más importantes en el proceso de gasificación.
En el estudio realizado por Pengmei et al. [9] se ha utilizado un gasificador tipo
corriente descendente (downdraft) para estudiar las características de la producción de
hidrógeno a partir de gasificación de biomasa. Aire y oxígeno-vapor se han utilizado
como agentes de gasificación. Los resultados experimentales indican que en
comparación con la gasificación de biomasa con aire, la gasificación de biomasa con
oxígeno-vapor mejora el rendimiento de producción de hidrógeno. Dentro de los
intervalos de condiciones de funcionamiento examinados, la producción máxima de
hidrógeno alcanza los 45,16 g H2 / kg de biomasa. Para la gasificación de biomasa
con oxígeno-vapor de agua, el contenido de H2 y CO alcanza 63,27 -72,56%, mientras
que el contenido de H2 y CO llega a 52,19 - 63,31% para la gasificación de biomasa
con aire.
Para el estudio en cuestión se ha utilizado el siguiente sistema (imagen 19):
Imagen 19. Esquema del sistema utilizado para realizar el estudio.
Fuente: [9]
En las tablas 3 y 4 se muestran las condiciones de operación típicas y los resultados
experimentales para gasificación con aire y oxígeno-vapor de agua respectivamente.
Podemos observar que la temperatura de cuello (T3) aumenta con la velocidad de
alimentación.
Para las condiciones de operación dadas de gasificación de biomasa con aire, los
rangos de producción de hidrógeno oscilan entre 21.18 y 29.70 g/ Kg biomasa (en
base húmeda). Mientras que para la gasificación de biomasa con oxígeno-vapor, los
rangos de producción de hidrógeno oscilan entre 32.02 y 44.13 g/ Kg biomasa (en
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
base húmeda). Esto implica que en las mismas condiciones de operación el uso de
oxígeno- vapor en vez de aire incrementa la producción de hidrógeno en un 28% de
media.
Aunque la utilización de oxígeno- vapor mejora mucho la producción de hidrógeno, sus
costes de operación resultan muy altos debido a la necesidad de separar el oxígeno
del aire.
Tabla 3.
Tabla 4.
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
5. Conclusiones
Hoy en día, el hidrógeno se produce principalmente a partir de gas natural a través de
reformado de metano con vapor, y aunque este proceso puede suponer una incursión
inicial en la economía del hidrógeno, representa sólo una modesta reducción en las
emisiones de vehículos en comparación con las emisiones de los vehículos híbridos
actuales. Es evidente que no es muy sostenible. El hidrógeno producido a través de
una gama de fuentes primarias de energía renovables, como la eólica, la biomasa y la
energía solar es ideal para la sustitución gradual de los combustibles fósiles. El uso de
la biomasa renovable como una materia prima importante para la producción de
hidrógeno ha recibido una considerable atención en los últimos años.
El hidrógeno puede ser generado a partir de biomasa, pero esta tecnología necesita
urgentemente un mayor desarrollo. La producción de hidrógeno a partir de biomasa
tiene importantes desafíos. No hay demostraciones tecnológicas completas. Se cree
que en el futuro la biomasa puede convertirse en una importante fuente sostenible de
hidrógeno [3]. Debido a sus méritos medioambientales, la proporción de hidrógeno a
partir de biomasa en el mercado de los combustibles de automoción crecerá
rápidamente en la próxima década.
La gasificación de la biomasa ha sido identificado como un posible sistema para la
producción de hidrógeno renovable, lo cual es beneficioso para explotar los recursos
de biomasa, para desarrollar una manera limpia altamente eficiente para la producción
de hidrógeno a gran escala, y tiene una menor dependencia de fuentes de energía
fósiles inseguras. El reformado con vapor de gas natural y la gasificación de la
biomasa se convertirán en las tecnologías dominantes a finales del siglo 21.
Por otra parte, los métodos biológicos tienen potencial como una alternativa a las
tecnologías renovables actuales, ya que una de las ventajas más prometedoras que
ofrece son sus condiciones aceptables de operación.
HITO II: Producción de hidrógeno a partir de biomasa
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