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PRODUCCIN DE HIDRGENO A PARTIR DE
BIOMASA
PROYECTO DE ASIGNATURA:
SISTEMAS BASADOS EN EL HIDRGENO
2014-2015
__________________________________AUTOR__________________________________
DOUDOU YASSINE
_____________________________________________________________________________
MLAGA - JUNIO 2015
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
Contenido 1. Introduccin
..............................................................................................................................
3
2. Anlisis de las publicaciones de investigacin
..........................................................................
5
2.1. Documentos por fuente (revista) y por ao.
......................................................................
5
2.2. Documentos por autores
...................................................................................................
6
2.3. Documentos por pas.
........................................................................................................
7
3. Tecnologas existentes para producir hidrgeno a partir de
biomasa. ..................................... 8
3.1. Procesos biolgicos
............................................................................................................
8
3.1.1. Biofotolisis directa
.......................................................................................................
9
3.1.2. Fermentacin oscura
.................................................................................................
10
3.1.3. Foto fermentacin
.....................................................................................................
11
3.2. Procesos termoqumicos
..................................................................................................
12
3.2.1. La pirlisis
..................................................................................................................
12
3.2.2. La gasificacin
...........................................................................................................
13
3.3. Desafos y necesidades en I + D
.......................................................................................
17
4. Gasificacin de la biomasa
......................................................................................................
18
4.1. Tipo de biomasa
...............................................................................................................
19
4.2. Tamao de partcula
........................................................................................................
19
4.3.
Temperatura.....................................................................................................................
20
4.4. El uso de catalizadores
.....................................................................................................
21
4.5. Agente gasificante
............................................................................................................
22
5.
Conclusiones............................................................................................................................
24
6. Referencias
..............................................................................................................................
25
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
1. Introduccin
La economa actual depende mucho del petrleo. Esto supone unas
preocupaciones debido a
la limitacin de los recursos, la inestabilidad en los pases de
origen, un gran impacto
ambiental y consideraciones de salud y seguridad.
En las ltimas dcadas, ha habido un creciente inters en la
bsqueda de nuevas fuentes y
vectores de energa para asegurar las necesidades energticas y
que podran reducir la
dependencia del petrleo.
El hidrgeno parece ser un buen candidato como vector energtico.
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 hidrgeno incluyen biomasa, solar,
elica y nuclear. De ellos slo la
biomasa puede generar hidrgeno directamente. En el resto de las
fuentes renovables se tiene
que realizar una electrlisis para la produccin de hidrgeno. Por
otra parte, la biomasa es a
menudo abandonada en la naturaleza como tal. Por lo tanto, si la
biomasa se utiliza para la
produccin de hidrgeno, no slo protege el medio ambiente, sino
que tambin proporciona
una fuente sostenible para el hidrgeno. Los combustibles de
biomasa y de sus derivados son
las fuentes de energa renovables que se pueden utilizar para
producir hidrgeno de forma
sostenible.
Segn el estudio realizado por Balat [3] al cabo de cien aos, la
gasificacin de biomasa ser
el mtodo ms usado despus del SMR para obtener hidrgeno.
Imagen 1. Mtodos dominantes para producir hidrgeno para el
periodo 2000-2100.
Fuente: [3]
Ventajas de la biomasa:
Reduce la dependencia de los combustibles fsiles
Proporciona una fuente sostenible de energa
Reduce las emisiones de efecto invernadero
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
Incrementa el valor de la produccin agrcola
Reduce los residuos agrcolas y urbanos
Limitaciones:
Baja densidad energtica
Voluminosidad y alto contenido de humedad
Disponibilidad estacional
Formacin de carbn y alquitranes
Las fuentes energticas ms importantes de biomasa son la madera,
residuos de madera,
cultivos energticos, aguas residuales urbanas, residuos agrarios
(agrcolas, ganaderos y
forestales), cultivos acuticos y algas. [3]
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
2. Anlisis de las publicaciones de investigacin
Con el fin de tener una visin general de las publicaciones de
investigacin se ha realizado un
anlisis de la misma.
Para ello se ha utilizado Scopus. Esta es una base de datos de
referencias bibliogrficas y citas
de la empresa Elsevier.
Se ha realizado una bsqueda avanzada con los siguientes
parmetros:
TITLE-ABS-KEY ( hydrogen production ) AND TITLE-ABS-KEY (
biomass )
AND PUBYEAR > 2007
Esta bsqueda nos arroj un resultado de 4091 artculos que se han
examinado con la
herramienta de anlisis.
2.1. Documentos por fuente (revista) y por ao.
Imagen 2. Anlisis 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
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HITO II: Produccin de hidrgeno 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. Anlisis de los documentos por autor
Fuente: Scopus.
Si realizamos un anlisis 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
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
2.3. Documentos por pas.
Imagen 4. Anlisis de los documentos por pas.
Fuente: Scopus.
Finalmente, si analizamos los documentos segn el pas de origen,
encontramos que hay dos
pases pioneros en este tipo de publicaciones: Estados Unidos y
China.
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
3. Tecnologas existentes para producir hidrgeno a partir de
biomasa.
Existen pocos procesos disponibles para la produccin de hidrgeno
a partir de biomasa. Estos
pueden dividirse en dos grupos principales [3], dependiendo del
mecanismo de
transformacin: termoqumicos y biolgicos, tal como podemos
observar en la imagen 5:
Imagen 5. Diferentes caminos para pasar de biomasa a
hidrgeno.
Fuente: [7].
3.1. Procesos biolgicos
BHP (biological hydrogen production) es un rea nueva que utiliza
microorganismos que
producen libremente y de manera eficiente H2 como un subproducto
durante el metabolismo.
La energa solar o electrones contenidos en compuestos orgnicos o
inorgnicos se pueden
convertir a H2. Los microbios producen H2 para dos propsitos
principales. El primero es
disponer de un exceso de equivalentes reductores durante el
metabolismo fermentativo. En
segundo lugar, H2 es un subproducto de la accin de la
nitrogenasa, la enzima que es necesaria
para la fijacin de N2.[7]
Como se muestra en imagen 6, BHP se puede dividir en gran medida
en procesos que
dependen de la energa lumnica y las que no [7]. En este apartado
se explican tres de ellos,
biofotlisis directa, foto-fermentacin y fermentacin oscura.
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
Imagen 6. Clasificacin de los mtodos biolgicos de produccin de
H2
Fuente: [7].
3.1.1. Biofotolisis directa
La biofotolisis consiste en la descomposicin del agua en
hidrgeno y oxgeno
mediante la accin combinada de la luz solar y la capacidad
fotosinttica de plantas
verdes, ciertas bacterias y algas azules.
La investigacin del proceso de biofotolisis ha conocido grandes
progresos en la ltima
dcada, en cuanto a la caracterizacin bioqumica de las algas que
son capaces de
hacerlo y las condiciones necesarias para que la produccin de
hidrgeno ocurra, pero
falta un largo camino que recorrer para la obtencin del alga
superproductora y diseo
de los adecuados fotobioreactores que permitan alcanzar la
realizacin de un proceso
tecnolgicamente prctico para que la produccin de hidrgeno a
partir de luz, agua,
dixido de carbono y algas verdes, se convierta en la mayor
fuente biolgica de
energa renovable, sin emisin de gases con efecto invernadero ni
contaminacin
medio ambiental. [6]
La biofotolisis se basa en dos pasos:
1. Fotosntesis: + + +
2. Produccin de hidrgeno: + +
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
Imagen 7. Principio de la produccin de hidrgeno por
biofotolisis
Fuente: Hydrogen production and storage [1]
Imagen 8. Representacin esquemtica de la produccin de hidrgeno
por biofotolisis
y su uso en una pila de combustible.
Fuente: [2]
3.1.2. Fermentacin oscura
La fermentacin oscura utiliza bacterias anaerobias
principalmente, aunque tambin
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. Azcares simples puros, que son
fcilmente
biodegradable tales como la glucosa y la lactosa son
preferibles, pero no estn
fcilmente disponibles en grandes cantidades y / o son
relativamente caros.
Las vas de produccin dependen del tipo de bacterias usadas. Por
va fermentativa
estndar tiene una produccin mxima terica de 4 moles de hidrgeno
por mol de
glucosa. Actualmente procesos fermentativos producen 2.4 a 3.2
moles de hidrgeno
por mol de glucosa. Sin embargo, puede ser posible cambiar la va
fermentativa
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
usando ingeniera molecular con el objetivo de aumentar mximo
terico de
produccin de hidrgeno a 12 moles de hidrgeno por mol de glucosa.
El gas
producido es una mezcla de hidrgeno, dixido de carbono, metano,
monxido de
carbono y sulfuro de hidrgeno. Por lo tanto se requiere una
etapa de separacin para
producir hidrgeno de alta pureza. [6]
Entre los parmetros de funcionamiento de la produccin
fermentativa H2, el pH se
considera una variable clave que afecta a la hidrlisis del
sustrato, la actividad de
hidrogenasa y las vas metablicas.[5]
En la imagen 9 se muestra la produccin de H2 acumulativa
especfica. Se ha
encontrado que tanto la evolucin temporal de la produccin de
biogs y el
rendimiento final estarn afectados por el pH operativo,
mostrando claramente que el
control del pH adecuado es uno de los factores clave para la
produccin de H2
significativa a alcanzar. [5]
Imagen 9. a) produccin acumulada especfica de H2; b) H2
contenido en biogs a diferencites
pH operativos.
Fuente: [5]
3.1.3. Foto fermentacin
La foto fermentacin es una conversin fermentativa de sustratos
orgnicos por un grupo
diverso de bacterias fotosintticas que utilizan la luz del sol
como energa para convertir
compuestos orgnicos en hidrgeno y CO2. Este proceso tiene lugar
en condiciones anxicas o
anaerbicas y mediante el uso de bacterias fotosintticas y la luz
solar como energa. Existen 4
principales bacterias que pueden llevar a cabo este tipo de
proceso. [2]
En la imagen 10 podemos ver cmo las bacterias bacterias capturan
energa solar para
producir ATP y electrones de alta energa. Luego la nitrogenasa
de la bacteria combina ATP,
protones de hidrgeno disueltos en agua y electrones para generar
hidrgeno. El organismo
es incapaz de obtener electrones del agua por lo que se requiere
del uso de compuestos
orgnicos (cidos orgnicos) como sustratos. [2]
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
Imagen 10. Proceso de foto fermentacin mediante una bacteria
fotosinttica.
Fuente: [2]
3.2. Procesos termoqumicos
3.2.1. La pirlisis
La pirlisis es un proceso de descomposicin trmica que tiene
lugar en ausencia de oxgeno
para convertir la biomasa en carbn vegetal slido, lquido
(bio-aceite), y gases a
temperaturas elevadas. Hay tres etapas para un proceso de
pirlisis tpico. La primera etapa,
pre-pirlisis, se produce entre 120 y 200 C con una prdida de
peso leve, cuando se llevan a
cabo algunos reordenamientos internos, tales como la rotura del
enlace, la aparicin de
radicales libres, y la formacin de grupos carbonilo, con una
correspondiente liberacin de
pequeas cantidades de H2O, CO y CO2. La segunda etapa es el
proceso de pirlisis principal,
durante el cual se produce la descomposicin slida, acompaada por
una prdida de peso
significativa de la biomasa alimentada inicialmente. La ltima
etapa es la desvolatilizacin
continua de Char, causada por la escisin adicional de enlaces
C-H y C-O. [13].
Imagen 11. Degradacin trmica una partcula slida de biomasa:
Secado, pirlisis primaria y
pirlisis secundaria.
Fuente: [10]
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
Dependiendo de la temperatura de reaccin y tiempo de residencia,
la pirlisis se puede dividir
en pirlisis rpida, intermedia, y lenta. En la tabla 3 enumeran
las condiciones de reaccin y los
rendimientos de producto de varios procesos de pirlisis, en
comparacin con el proceso de
gasificacin. Tpicamente, la pirlisis rpida tiene un tiempo de
residencia extremadamente
corto ( 1 s); la temperatura de reaccin es de aproximadamente
100 C ms alta que la de
pirlisis lenta ( 500 C vs. 400 C). Tiempos de reaccin cortos
combinados con una
temperatura elevada generalmente resulta en un mayor rendimiento
de producto lquido. En
contraste, la pirlisis lenta con temperaturas de reaccin
relativamente ms bajas y tiempos
de residencia ms largos producira cantidades similares de
lquido, char slido, y productos de
gas. La combinacin de todos los factores mencionados
anteriormente, se puede concluir que
con el fin de maximizar el rendimiento de carbn vegetal, bajas
temperaturas y bajas
velocidades de calentamiento son necesarios. Si el lquido es el
producto deseado, una
combinacin de temperatura moderada, el tiempo de residencia del
gas corto, y la alta
velocidad de calentamiento es esencial.[13]
Imagen 12. Redimientos de producto tpicos (biomasa seca) de
pirlisis comporados con los de
la gasificacin.
Fuente: [13]
3.2.2. La gasificacin
La gasificacin es la oxidacin parcial trmica, lo que resulta en
una alta proporcin de
productos gaseosos (CO2, agua, monxido de carbono, hidrgeno e
hidrocarburos gaseosos),
pequeas cantidades de char (producto slido), cenizas y
compuestos condensables
(alquitranes y aceites).
Vapor, aire u oxgeno se suministra a la reaccin como agente
oxidante. El gas producido
puede ser estandarizado por su calidad y es ms fcil y verstil de
usar que la biomasa original
(por ejemplo puede ser utilizado para motores de gas y turbinas
de gas de alimentacin o
como materia prima qumica para la produccin de combustibles
lquidos). La gasificacin
aade valor bajo a materias primas mediante su conversin en
combustibles y productos
comercializables.
La qumica de la gasificacin de biomasa es muy compleja (imagen
14). En trminos generales,
el proceso de gasificacin consta de las siguientes etapas
[2]:
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
1. Secado. En esta etapa, se reduce el contenido de humedad de
la biomasa.
Tpicamente, el contenido de humedad de la biomasa vara desde 5%
a 35%. El secado
se produce a aproximadamente 100-200 C con una reduccin en el
contenido de
humedad de la biomasa hasta unos valores inferiores al 5%.
2. Desvolatilizacin (pirlisis). Esta es esencialmente la
descomposicin trmica de la
biomasa en ausencia de oxgeno o aire. En este proceso, se reduce
la materia voltil en
la biomasa. Esto resulta en la liberacin de gases de
hidrocarburos, debido a que la
biomasa se reduce a carbn slido. Los gases de hidrocarburos
pueden condensar a
una temperatura suficientemente baja para generar alquitranes
lquidos.
3. La oxidacin. En esta etapa se tiene lugar la reaccin entre la
biomasa carbonizada
slida y el oxgeno en el aire, resultando en la formacin de CO2.
El hidrgeno
presente en la biomasa tambin se oxida para generar agua. Una
gran cantidad de
calor se libera con la oxidacin del carbono y el hidrgeno. Si el
oxgeno est presente
en cantidades subestequiomtricas, se puede producir la oxidacin
parcial de carbn,
lo que resulta en la generacin de monxido de carbono.
4. Reduccin. En ausencia (o presencia subestequiomtrica) de
oxgeno, varias
reacciones de reduccin se producen en el rango de temperatura
800-1000C. Estas
reacciones son en su mayora endotrmicas. Las principales
reacciones de esta
categora son los siguientes:
Imagen 13. procesos que tienen lugar en un gasificador:
principalmente pirlisis del
combustible slido y reformado/gasificacin del producto gaseoso
resultante y Char.
Fuente : [2]
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
Imagen 14. Ubicacin de cada reaccin en el gasificador a su
temperatura correspondiente.
El diseo de reactores de gasificacin se ha investigado durante
ms de un siglo, lo que ha
dado lugar a la disponibilidad de varios diseos para pequeas y
grandes escalas. Se pueden
clasificar de varias maneras [12]:
Por el agente gasificante:
Gasificadores de aire
Gasificadores de oxgeno
Gasificadores de vapor de agua
Por la presin de trabajo:
Atmosfricos
Presurizados
Por el diseo del gasificador:
Lecho fijo (updraft, downdraft, cross-draft and open-core): El
gasificador de lecho fijo
tiene un lecho de partculas de combustible slido a travs 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 ms simple de gasificador, por lo general consiste en un
espacio cilndrico para
el combustible y los agentes gasificantes con una unidad de
alimentacin 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 gasificacin. Los gasificadores de lecho
fijo son fciles de
construir y generalmente operan con alta conversin de carbono,
largo tiempo de
residencia, baja velocidad de gas y bajo contenido de cenizas de
arrastre.
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HITO II: Produccin de hidrgeno 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 travs de un lecho de partculas slidas a una velocidad
suficiente para
mantener las partculas en un estado de suspensin.
Las partculas de combustible se introducen en la parte inferior
del reactor, se mezclan
muy rpidamente con el material del lecho, y casi instantneamente
se calientan
hasta la temperatura del lecho. Como resultado de este
tratamiento, el combustible se
piroliza muy rpido, lo que resulta en una mezcla de componente
con una cantidad
relativamente grande de materiales gaseosos. Otras reacciones de
gasificacin y
conversin de alquitrn de se producen en la fase de gas. La
gasificacin 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 carbn restante es
transportado al segundo
reactor, donde se quema con aire para producir calor. El calor
se transporta al reactor
de gasificacin por el material del lecho, normalmente arena. El
gas de combustin y el
gas producto tienen dos salidas separadas.
Imagen 16. Gasificador de lecho fluidizado burbujeante(a) y
circulante (b)
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
Con la revisin de los fabricantes de gasificadores en Europa,
Estados Unidos y Canad
se identific 50 fabricantes que ofrecen plantas de gasificacin
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 diseos varios.
3.3. Desafos y necesidades en I + D
Tabla1. Visin general de los retos y necesidades de investigacin
para cada tipo de proceso
Procesos termoqumicos Procesos biolgicos
Desafos
Altos costes de reactores
Eficiencia
Impurezas del combustible
Captura y almacenamiento de CO2
Microorganismos eficientes para una produccin sostenible
Materiales de los reactores
Tecnologa a largo plazo
Necesidades en I + D
Desarrollo de separacin/purificacin eficiente y de bajo
coste
Mejorar la tolerancia de catalizadores a impurezas
Desarrollar componentes ms eficientes y robustas para el sistema
en conjunto
Reducir los costes de almacenamiento, preparacin y manipulacin
de la biomasa
Desarrollar enfoques eficientes de captura y almacenamiento de
CO2
Desarrollar formas econmicas de controlar la calidad del
hidrgeno
Desarrollar gasificadores coalimentados por biomasa y carbn
Incrementar la cantidad de biomasa asequible
Desarrollar la funcionalidad de microorganismos para una
produccin eficiente y sostenible
Identificar y caracterizar nuevos microorganismos
Desarrollar mtodos 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 gestin variable de produccin y
gestin de ciclos diurnos.
Diseo de procesos de fabricacin masiva a bajo costo
Beneficios clave
Proporciona combustible sinttico bajo costo, adems de
hidrgeno.
Limpia y sostenible
Auto-suficiente
Tolerancia para diversas condiciones del agua.
Fuente: Overview of technology options, Hydrogen production
[4]
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
4. Gasificacin de la biomasa
El proceso ms importante y ms utilizado actualmente para la
produccin del hidrgeno a
partir de la biomasa es el de gasificacin. En el apartado
anterior se ha ofrecido una visin
general del proceso. En este apartado se va a hacer un anlisis
ms detallado.
Hay algunos parmetros que influyen en el rendimiento de hidrgeno
generado durante la
gasificacin de biomasa [11]. Estos factores son el tipo de
biomasa; el tamao de las
partculas de biomasa, la temperatura de operacin, la proporcin
vapor/biomasa, la adicin
de catalizadores, etc. Los parmetros y sus efectos sobre el
rendimiento de hidrgeno de la
gasificacin de biomasa se resumen en la Tabla 2.
Tabla 2.
Parmetro Descricpin Efecto Tipo de biomasa Diferentes tipos de
residuos y
cultivos La composicin del gas producto depende mucho de la
composicin biomsica.
Tamao de partcula Se refiere a las dimensiones de las partculas
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 composicin.
Temperatura Temperatura de gasificacin que se da despus de la
zona de pirolisis.
Bajas temperaturas favorecen la produccin de Char y metano. Las
temperaturas ptima de produccin de hidrgeno con 800-900 C
Relacin vapor-biomasa (S/B)
Relacin masa de vapor/ masa de biomasa
Bajos S/B producen ms metano y Char. Altos S/B favorecen
produccin de hidrgeno.
Presin del proceso La gasificacin ocurre a una presin constante
en el reactor
El equilibrio qumico indica que la gasificacin es favorecida por
bajas presiones y altas temperaturas.
Catalizadores Materiales en pequeas cantidades que se aaden al
proceso para acelerar la velocidad de reaccin.
Favorecen la produccin de hidrgeno
Ralacin adsorbente/biomasa
Materiales en pequeas cantidades que se aaden para adsorber el
CO2 producido durante el proceso
La eliminacin de CO2 incrementa la produccin de syngas.
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
4.1. Tipo de biomasa
Toda la biomasa est compuesta principalmente por celulosa,
hemi-celulosa y lignina y su
composicin difiere de una a otra. Estos componentes tienen un
papel importante en la
descomposicin de la biomasa. Generalmente, composiciones grandes
de celulosa y lignina
favorecen una mejor produccin de syngas. As, la produccin de
hidrgeno a partir de
biomasa se basa en la naturaleza intrnseca y el contenido de
humedad. [11]
Muchas especies de biomasa se han probado hasta el momento para
generar hidrgeno a
partir de biomasa mediante la gasificacin. Algunos de ellos
son:
Serrn de pino, cscara de almendra, la cscara de caf, madera
ceedar, aguas
residuales, los residuos de aceite de palma, residuos slidos
urbanos, el papel, madera
de haya, paja de trigo, mazorca de maz, madera de abeto,
residuos de t, algas,
residuos de madera, cscara de arroz..etc
4.2. Tamao de partcula
El efecto del tamao de partculas de biomasa en la produccin de
hidrgeno es significativo.
Las partculas ms pequeas proporcionan mayor superficie por
unidad de masa. Esta mayor
superficie mejora la transferencia de calor y masa entre las
partculas. Debido a la efectiva
transferencia de calor, la eficacia de la reaccin de gasificacin
(reaccin Boudouard, la
reaccin del gas de agua, reacciones de conversin de carbono)
mejora significativamente. La
mejora de la eficacia de las reacciones de gasificacin con el
tiempo conlleva consigo una
mejor en la produccin de H2 y CO, a costa de la disminucin del
contenido en CO2. La
produccin de alquitrn y carbn tambin se reduce.
En la imagen 17 podemos ver cmo la produccin de hidrgeno aumenta
y la de CO2
disminuye a medida que disminuye el tamao de partcula de
biomasa. [8]
Imagen 17. Variacin de la composicin del syngas con el tamao de
partcula.
Fuente: [8]
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
En esta otra imagen 18, podemos constatar lo mismo, la produccin
de hidrgeno es mejor
para pequeas partculas. Se ha introducido tambin el factor de
temperatura que se va
comentar a comentar a continuacin en el siguiente apartado. Se
puede decir que la biomasa
en polvo es la mejor opcin.
Imagen 18. Variacin de la composicin del syngas con el tamao de
partcula y temperatura.
Fuente: [8]
4.3. Temperatura
La temperatura es el factor ms influyente en la produccin de
hidrgeno durante la
gasificacin de biomasa.
Generalmente, el aumento de la temperatura aumenta la velocidad
de calentamiento entre las
partculas. Esto conduce a la destruccin efectiva de las
partculas y conlleva reacciones de
gasificacin completas (combustin, Boudouard, la formacin de
metano, conversin de CO, y
reacciones de reformado de metano). Como resultado se ha visto
que el rendimiento de
produccin de syngas mejora con altos contenidos en H2 y metano.
Adems el aumento
significativo de la temperatura descompone trmicamente las
molculas de alquitrn en
productos ms gaseosos (ligeros). [11]
Tal como vimos en la imagen 18, le hecho de pasar de una
temperatura de 600 C a
900C casi triplica la produccin de hidrgeno.
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
4.4. El uso de catalizadores
Hasta el da de hoy se hicieron muchos estudios para ver como
vara la produccin de
hidrgeno con gasificascin de biomasa utlilizando distintos
catalizadores.
Algunos de los catalizadores estudiados son dolomita;
catalizadores a base de Ni,
metal alcalino, almina, silicato de almina, K2CO2, Na2CO3, K2CO3
y ZnCl2. El
catalizador facilita la transferencia de masa y calor entre
partculas. Esto a su vez
mejora la eficiencia de las reacciones de gasificacin
(combustin, Boudouard, la
formacin de metano, etc). El aumento de la eficiencia de las
reacciones de
conversin de CO y el reformado de metano contribuyen en el la
mejora de
produccin de hidrgeno y monxido de carbono. Los catalizadores no
slo provocan
las reacciones de gasificacin pero tambin ayudan en la
destruccin de alquitrn. La
destruccin de alquitrn tambin contribuye para la produccin de
hidrgeno. Por lo
tanto el rendimiento de hidrgeno en general se mejora por medio
de aumento de la
eficiencia de las reacciones de gasificacin y tambin por la
destruccin de alquitrn.
[11]
Ni en sus estudio encontr de que la doloma, catalizadores
basados en Ni y xidos
de metales alcalinos catalizadores son los mejores para las
reacciones de gasificacin.
Balat [3] encontr que el uso del catalizador no afecta el
rendimiento de gas, pero
controla firmemente la composicin del gas.
En algunos estudios se ha descubierto lo siguiente:
La doloma, catalizadores basados en Ni y xidos de metales
alcalinos
catalizadores son los mejores para las reacciones de
gasificacin.
El uso del catalizador no afecta el rendimiento de gas, pero
controla
firmemente la composicin del gas.
En otro estudio se encontr que catalizadores de silicato alumino
son ms
activos la gasificacin de carbn y que el silicato de nquel son
adecuados para
hidrocarburos ms ligeros.
Los catalizadores se emplean en procesos de gasificacin para
impulsar el
rendimiento y calidad del gas producido y tambin para destruir
alquitrn.
Actualmente una amplia investigacin est en proceso para
desarrollar un catalizador
altamente estable, eficiente, barato y altamente reactivo para
la gasificacin de
biomasa para promover el rendimiento de hidrgeno. Sin embargo el
desarrollo de un
catalizador ptimo es complicado, ya que implica la comprensin
integral de la cintica
de gasificacin y mecanismos de reaccin.
-
HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
4.5. Agente gasificante
Por ltimo se van a exponer los resultados cmo influye el uso de
un gasificante o de
otro en la composicin del syngas. Este parmetro junto con la
temperatura son los
ms importantes en el proceso de gasificacin.
En el estudio realizado por Pengmei et al. [9] se ha utilizado
un gasificador tipo
corriente descendente (downdraft) para estudiar las
caractersticas de la produccin de
hidrgeno a partir de gasificacin de biomasa. Aire y oxgeno-vapor
se han utilizado
como agentes de gasificacin. Los resultados experimentales
indican que en
comparacin con la gasificacin de biomasa con aire, la
gasificacin de biomasa con
oxgeno-vapor mejora el rendimiento de produccin de hidrgeno.
Dentro de los
intervalos de condiciones de funcionamiento examinados, la
produccin mxima de
hidrgeno alcanza los 45,16 g H2 / kg de biomasa. Para la
gasificacin de biomasa
con oxgeno-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
gasificacin de biomasa
con aire.
Para el estudio en cuestin 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 operacin
tpicas y los resultados
experimentales para gasificacin con aire y oxgeno-vapor de agua
respectivamente.
Podemos observar que la temperatura de cuello (T3) aumenta con
la velocidad de
alimentacin.
Para las condiciones de operacin dadas de gasificacin de biomasa
con aire, los
rangos de produccin de hidrgeno oscilan entre 21.18 y 29.70 g/
Kg biomasa (en
base hmeda). Mientras que para la gasificacin de biomasa con
oxgeno-vapor, los
rangos de produccin de hidrgeno oscilan entre 32.02 y 44.13 g/
Kg biomasa (en
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
base hmeda). Esto implica que en las mismas condiciones de
operacin el uso de
oxgeno- vapor en vez de aire incrementa la produccin de hidrgeno
en un 28% de
media.
Aunque la utilizacin de oxgeno- vapor mejora mucho la produccin
de hidrgeno, sus
costes de operacin resultan muy altos debido a la necesidad de
separar el oxgeno
del aire.
Tabla 3.
Tabla 4.
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HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
5. Conclusiones
Hoy en da, el hidrgeno se produce principalmente a partir de gas
natural a travs de
reformado de metano con vapor, y aunque este proceso puede
suponer una incursin
inicial en la economa del hidrgeno, representa slo una modesta
reduccin en las
emisiones de vehculos en comparacin con las emisiones de los
vehculos hbridos
actuales. Es evidente que no es muy sostenible. El hidrgeno
producido a travs de
una gama de fuentes primarias de energa renovables, como la
elica, la biomasa y la
energa solar es ideal para la sustitucin gradual de los
combustibles fsiles. El uso de
la biomasa renovable como una materia prima importante para la
produccin de
hidrgeno ha recibido una considerable atencin en los ltimos
aos.
El hidrgeno puede ser generado a partir de biomasa, pero esta
tecnologa necesita
urgentemente un mayor desarrollo. La produccin de hidrgeno a
partir de biomasa
tiene importantes desafos. No hay demostraciones tecnolgicas
completas. Se cree
que en el futuro la biomasa puede convertirse en una importante
fuente sostenible de
hidrgeno [3]. Debido a sus mritos medioambientales, la proporcin
de hidrgeno a
partir de biomasa en el mercado de los combustibles de automocin
crecer
rpidamente en la prxima dcada.
La gasificacin de la biomasa ha sido identificado como un
posible sistema para la
produccin de hidrgeno renovable, lo cual es beneficioso para
explotar los recursos
de biomasa, para desarrollar una manera limpia altamente
eficiente para la produccin
de hidrgeno a gran escala, y tiene una menor dependencia de
fuentes de energa
fsiles inseguras. El reformado con vapor de gas natural y la
gasificacin de la
biomasa se convertirn en las tecnologas dominantes a finales del
siglo 21.
Por otra parte, los mtodos biolgicos tienen potencial como una
alternativa a las
tecnologas renovables actuales, ya que una de las ventajas ms
prometedoras que
ofrece son sus condiciones aceptables de operacin.
-
HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa
6. Referencias
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