PRODUCCIÓN DE BIO-HIDRÓGENO

Transcripción

1 PRODUCCIÓN DE BIO-HIDRÓGENO II Jornadas internacionales de Innovación Energética Antonio Morán Palao 1

2 HIDRÓGENO Temperatura de ebullición -252,7ºC Temperatura de fusión -259,2ºC Densidad (cond. normales) 0,0899 kg/nm 3 PCI (kj/kg) Hidrógeno 120,1 Metano 50,0 Gasolina 43,6 Gas-oil 42,8 2

3 Representación gráfica de la estructura de (a) grafito, (b) diamante, (c) furelenos, (d) nanotubos 3

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6 Tecnologías de pilas de combustible: posibles combustibles y aplicaciones Nota - Los tamaños de los «sectores» no guardan relación con los mercados actuales o previstos.* * PEM = Pilas de combustible con membrana de intercambio de protones; AFC = Pilas de combustible alcalinas; DMFC = Pilas de combustible de metanol directo; PAFC = Pilas de combustible de ácido fosfórico; MCFC = Pilas de combustible de carbonato fundido; SOFC = Pila de combustible de óxido sólido 6

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8 Compuestos orgánicos insolubles Compuestos Orgánicos complejos Proteínas Carbohidratos Lípidos Com. orgánicos solubles amino azúcares ácidos ácidos alcoholes grasos Productos intermedios: Ac. Propiónico Ac. Butírico, etc. Acetato NH 3 -N H 2 S CH 4 Hidrógeno CO 2 CO 2 8

9 Fundamento de la producción de H2 Enzimas productoras de H2 catalizan la siguiente reacción: 2H + + 2e - H 2 Fotosintética Fermentación oscura Algas verdes fotosíntesis Eliminación de azufre para la producción de H2 Cultivos puros Cultivos mixtos no caracterizados 9

10 Producción de H 2 mediante algas verdes Tanque concentrador Las algas deben adaptarse de algas a condiciones anaeróbicas CO 2 O2 La producción fotosintética de H2 involucra la rotura de la molécula de agua (biofotólisis) para Luz solar Luz solar producir H 2 y O 2 El proceso produce simultáneamente oxígeno, lo cual causa la inhibición de la enzima hidrogenasa, deteniendo foto-reactor de H el proceso 2 Reciclado de nutrientes Reciclado de Bio-reactor productor La limitación de azufre en el medio algas ha demostrado de algas incrementos en la producción de H 2 (es costoso) H 2 10

11 Producción de H 2 mediante fermentación Ausencia de oxígeno Formiato Ferrodoxina reducida Enterobacter aerogenens Imagen de gránulos de generación de hidrógeno y estructura porosa 11

12 Limitaciones del proceso: Parte del piruvato generado es utilizado para producir ATP, generando como producto acetato En algunos microorganismos los rendimientos de producción de H 2 se ven reducidos por la presencia de enzimas utilizadoras de H 2 La máxima cantidad teórica de producción de H2 es de 12 moles de H 2 por cada molécula metabolizada de glucosa. El límite teórico no se cumple, porque se utiliza el substrato para producir material celular. 12

13 Ventajas del proceso: Es de esperar rendimientos de producción de H 2 mayores en comparación con los métodos fotobiológicos, dado que presentan velocidades de generación mayores Es posible la fermentación de residuos, de éste modo se produce la valorización mediante la generación un gas con alto valor energético y económico 13

14 Posibilidades de escalamiento 1. No se requiere de luz, facilitando el diseño del reactor 2. La utilización de cultivos mixtos facilita la consecución de Utilización la biomasa activa H2 de residuos para pilas de 3. No se requiere la esterilización de los substratos, combustibles reduciendo enormemente los costes de tratamiento 4. No se requieren modificaciones importantes si se desea implementar en tecnologías ya existentes 14

15 Adaptación del proceso de fermentación a la tecnología convencional Digestión Anaerobia Extracción de H 2 Gas combustible Generación de CH 4 Producción de electricidad 15

16 Oportunidades generadas por la adaptación del proceso de DA para la recuperación de H 2 1. Existencia de plantas de digestión a escala industrial en funcionamiento 2. La biomasa anaerobia procedente de los digestores es aclimatada rápidamente para producir H 2 3. Los productos ácidos generados en la etapa de producción de H 2 son aprovechados para convertirlos en metano y generar energía adicional 4. El metano generado en la segunda etapa puede ser utilizado en parte para el calentamiento de los digestores 16

17 Celda de combustible Electricidad Hidrógeno Metano Residuo Reactor productor de H 2 Reactor productor de metano Biosólido 17

18 Trabajo experimental Arranque a partir partir de de inóculo inóculo mesofílico Alimentación FO-RM (7%) Alimentación FORSU (6%) Evaluación de su funcionamiento Producción de CH 4 Producción de H 2 POR -250 mv -350 mv TRH 5 días 3 días Energía obtenida 18

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20 Nomenclatura M-5 R-5 (-250) M-3 R-3 (-250) M-5 R-5 (-350) M-3 R-3 (-350) R-3 (-250) R-3 (-350) R-5 (-250) R-5 (-350) Vol gas (ml/d) Producción de gas en la primera fase 20

21 Producción de H 2 en la primera fase % H mv -350 mv M-5 R-5 R-3 M-3 21

22 Rendimiento de producción de H 2 en la primera Medias fase Rendimiento de H2 (ml/g SVrem) significativamente diferentes Representa la cantidad de H 60 2 producido por unidad de 50masa destruida por el sistema R5 R3 M5 M3 Sistemas de digestión Sistemas de producción de H

23 Los ácidos principales son del tipo C2, C4 y C Generación de intermediarios ácidos Acético Propiónico Butírico Caproìco AGV (mg/l) Denominados ácidos grasos volátiles Generados Su presencia a partir indica de una la transformación disminución en de la la (AGV) producción glucosade H 2 Debido a rotura de moléculas complejas Entregan una medida del buen funcionamiento del proceso -250 mv -350 mv -250 mv -350 mv -250 mv -350 mv -250 mv -350 mv OF-5 OF:S-5 OF-3 OF:S-3 Sistema de producción de H 2 23

24 Funcionamiento de la segunda fase (generación de CH 4 ) VPG (l/lr d) 3 Velocidad Composición de producción del gas de gas 2,5 2 1,5 1 0,5 60% (VPG) 65% 0 R5 R3 M5 M3 Sistemas de producción de CH 4 24