Estudio de la conversión termoquímica de glicerina a hidrógeno y electricidad mediante reformado con agua supercríticaevaluación tecno-económica y análisis de ciclo

Resumen

El reformado con agua supercrítica es una tecnología emergente que presenta, a priori, una ventaja sobre el resto de tecnologías: no necesita catalizador. Las reacciones que se producen en agua supercrítica tienen muchas ventajas sobre los métodos convencionales de reacción en fase gas y fase líquida, por lo que parece un medio de reacción atractivo. En esta tesis se ha realizado un amplio estudio del reformado de glicerol con agua supercrítica tanto en el campo experimental como en el ámbito de simulación rigurosa. Experimentalmente, se ha comprobado que, en ausencia de catalizador externo, la conversión de glicerol es casi completa a altas temperaturas (> 800 ºC). El gas producto es una mezcla de H2, CO, CO2, CH4 y H2O, y el rendimiento a hidrógeno depende de la temperatura de operación y del ratio agua/glicerina alimentada al reactor, principalmente. Se han alcanzado rendimientos a hidrógeno de entre 2 y 4 mol H2/ mol de glicerina a 800 y 850 ºC, y a 240 bar. También se han encontrado algunos restos sólidos carbonosos en forma de nanotubos. Asimismo, se estudió experimentalmente la producción de hidrógeno a partir del reformado de glicerina con agua supercrítica en un reactor tubular de lecho fijo usando un catalizador a base de Ni soportado sobre Al2O3 y SiO2. El gas seco obtenido se compone principalmente de H2, CO2, CO, y CH4, y la conversión de glicerina fue casi completa a temperaturas entre 600 y 800 ºC y concentraciones de hasta el 20%p. Los rendimientos a hidrógeno estaban muy cerca de los valores de equilibrio a pesar de conseguirse en un corto tiempo de residencia. Los mejores resultados se obtuvieron para una temperatura de operación de 800°C y una concentración de glicerina del 5%p, donde la conversión fue del 100% y el rendimiento a hidrógeno de 6,56 mol H2/mol Glicerina. Mediante el software de simulación Aspen Plus, se ha realizado un estudio del proceso de reformado y de reformado autotérmico de la glicerina con agua supercrítica. El esquema de ambas plantas se ha desarrollado en base a dos objetivos relacionados: Maximizar la producción de hidrógeno y obtener la mayor energía eléctrica posible en la turbina y en la pila de combustible. Los procesos diseñados incluyen integración energética, y la imposición de que sean energéticamente autosuficientes. Para el caso de reformado glicerina no autotérmico (SCWR), la concentración óptima de operación es del 26,5 %p, reformando una alimentación fija de 1000 kg/h de glicerina a 800ºC y 240 bar. En estas condiciones de operación se obtienen 58,6 kg/h de hidrógeno, que equivalen a 874 kW en la PEMFC, y una electricidad en turbina de 720 kW. Para el caso de reformado autotérmico (ASCWR), en las mismas condiciones de presión y temperatura que el proceso SCWR, lo mejor es precalentar la alimentación a la temperatura de operación, alimentando una disolución de glicerina al 25,8 %p. De esta forma, se obtienen 840 kW en turbina y 59,5 kg/h de hidrógeno (887 kW en la pila). Por otra parte, se ha realizado una evaluación tecno-económica de los procesos SCWR y ASCWR para comprobar la potencial viabilidad técnica y económica de dichos procesos. Para los balances de materia y energía, se ha utilizado el software Aspen Plus, y para la estimación económica de equipos, se ha recurrido al software CAPCOST y al escalado con plantas reales. Para los dos casos, se han seleccionado las mejores condiciones de operación, anteriormente mencionadas, y una alimentación de 1000 kg/h de glicerina. Tomando como hipótesis de partida el posible precio de venta de la electricidad de origen renovable producida en turbina, se han calculado los precios a los que habría que vender el hidrógeno para que los beneficios se compensen con las pérdidas. Finalmente, se ha usado el software SimaPro 8.0 para identificar el impacto ambiental del proceso en siete categorías, siguiendo el método CML 2000. En comparación con otras tecnologías, el proceso SCWR es una buena alternativa para producir hidrógeno con unas emisiones de sólo 3,77 kg CO2-eq por kg H2 producido, con las ventajas adicionales de la generación de electricidad renovable con bajas emisiones de carbono.