Valorización energética de los fangos de EDARs mediante la producción de hidrógeno a través de procesos de descomposición catalítica

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1 Valorización energética de los fangos de EDARs mediante la producción de hidrógeno a través de procesos de descomposición catalítica Valentín García Albiach y Juan M. Coronado

2 Agua - Energía El agua residual contiene más de 2,5 veces la energía necesaria para su tratamiento (aprox MJ/1.000 m 3 ). La pregunta que se nos plantea es obvia: Cuál es la mejor manera de extraer y utilizar ésta energía del proceso de depuración de las aguas residuales? Por un lado, nuevas tecnologías de extracción de la energía en la línea de agua. Utilización de energías limpias para el tratamiento avanzado del agua (nutrientes específicos). En cuanto a la línea de fango, el método más común hasta hoy es la digestión anaerobia y la correspondiente generación de gas. Se abordará el estudio de nuevas tecnologías para su optimización así como alternativas.

3 Planteamiento general Actualmente el método habitual de valorización energética es emplear el biogás, producido por digestión anaerobia de los fangos, en motores adaptados para la cogeneración eléctrica. No obstante, debido a la relativamente baja eficiencia del proceso (con un rendimiento del 40%) la reducción de emisiones de CO 2 por este proceso es muy limitada ( g CO 2 /kwh). Una alternativa potencialmente interesante para la valorización energética de los fangos es la obtención de hidrógeno por medio de procesos de descomposición catalítica de biogás.el gran atractivo de este proceso radica en que por cada kwh producido en forma de electricidad se produce el secuestro de másde200gdeco 2, que queda inmovilizado en forma de depósitos carbonosos.

4 Hidrógeno como Vector Energético Se fundamenta en su carácter de combustible limpio, y moneda de cambio energética (vector) En su versatilidad, que posibilita tanto su aprovechamiento para la producción de electricidad empleando pilas de combustible, como su uso directo en motores de combustión adaptados a tal efecto.

5 Por qué necesitamos H 2? La producción de H 2 a partir de fuentes renovables es una de las alternativas más prometedoras para el futuro esquema energético en conexión con el uso de pilas de combustible.

6 Cómo transformar un residuo en un recurso? El aprovechamiento energético de los fangos de EDAR s que ha llegado al final de su ciclo y deben ser desechados es más complejo que la utilización directa del biogás, aunque la pirólisis puede resultar una opción muy atractiva para valorizar este residuo

7 Pirólisis de Fángos de EDAR s Composición de los aceites de pirolisis de fangos en función de la temperatura. Los fangos pueden ser considerados combustibles en si mismos, aunque de baja calidad, pero son también una fuente de hidrógeno, que constituye uno de los vectores energéticos más flexibles

8 Aprovechamiento energético de los fangos y Biogás El biogás es básicamente una mezcla de CH 4 (40-70%) y CO 2, mientras que los bioaceites de pirólisis son mezclas muy complejas de hidrocarburos y compuestos oxigenados como fenol y ácidos orgánicos. Tecnologías Proceso Ventajas Desventajas Combustión C n H m + (m/2+n)o 2 Tecnología madura y Rendimiento n CO 2 + m/2 H 2 O comercial energético moderado Reformado con vapor CH 4 +2 H 2 O CO 2 +4 H 2 Tecnología Madura Emisiones elevadas de CO 2 ( g/kwh) Emisiones significativas de CO 2 Temperatura de proceso moderadas Precisa procesos de purificación Descomposición CH 4 C +2H 2 Elevada capacidad reducción de emisiones de CO 2 (-200 g/kw) Hidrógeno de alta pureza Temperaturas de proceso elevadas Problemas de desactivación Necesidad de gestionar el residuo carbonoso

9 La propuesta de INTEGRAGUA CH 4 +H 2 O CO+3H 2 [ΔH=206 kj/mol] CH 4 +1/2O 2 CO+2H 2 C n H m + n/2o 2 + nh 2 O nco 2 + (n + m/2)h 2 [ΔH=-35.6 kj/mol] CH 4 +O 2 CO 2 +2H 2 [ΔH= kj/mol] CH 4 C +2H 2 [ΔH=75.6 kj/mol] Generación de H 2 integrada en el ciclo de la EDAR a partir de compuestos residuales

10 Retos y soluciones propuestas en el proyecto El proceso tiene lugar a temperatura elevadas (1100ºC) Es necesario separar el carbón y regenerar el catalizador M (T) Cada 1.2 m 3 de H 2 generará 0.3 Kg de carbón que es preciso valorizar Los catalizadores de cobalto reducen la temperatura necesaria (700ºC) Las propiedades magnéticas del Co son un ventaja para la separación y operación del reactor Producción de compost y materiales estructurales para construcción

11 Reactor de demostración de INTEGRAGUA Reactor Rotatorio capaz de producir 150 L/h de H 2. Pirólisis/gasificación Descomposición Catalítica Separación/ Purificación Fangos H 2 Biogás Fermentación Generación de H 2 integrada en el ciclo de la EDAR a partir de compuestos residuales

12 El carbón como material de alta tecnología Un atractivo adicional de la descomposición catalítica de biogás es la posibilidad de producir variedades de carbono con interés tecnológico (grafito, nanotubos o grafeno) casi a la carta. grafito grafeno P. Jana, V.A. de la Peña O'Shea, J.M. Coronado, D.P. Serrano, Energy & Environ. Sci. 4 (2011) 778. nanotubos

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