PROYECTO FIN DE MÁSTER

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1 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA Departamento de Ingeniería Energética Grupo de Termotecnia PROYECTO FIN DE MÁSTER ESTUDIO DE ALTERNATIVAS PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO CON CICLOS TERMOQUÍMICOS Y ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE ALTA TEMPERATURA. Autora: Elvira Tapia Martín Tutor: Dr. Felipe Rosa Iglesias Sevilla, Noviembre 2012 Dr. Francisco Javier Pino Lucena

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3 ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS... 5 ÍNDICE DE TABLAS OBJETIVOS INTRODUCCIÓN Evolución de los combustibles El hidrógeno como vector energético Tecnología del hidrógeno Sistemas de producción de hidrógeno Sistema energético Cifras de producción de hidrógeno Comparación de energías renovables Comparativa de los sistemas de energía solar concentrada Producción de hidrógeno solar Producción de hidrógeno mediante procesos termoquímicos Termólisis Ciclos termoquímicos Reformado Cracking Gasificación Producción de hidrógeno mediante procesos electroquímicos Electrólisis Producción de hidrógeno fotoquímica Descomposición fotocatalítica del agua Sistema fotoelectroquímico Producción fotobiológica PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO MEDIANTE CICLOS TERMOQUÍMICOS Ciclos de la familia del azufre Ciclo híbrido de azufre (Ciclo de Westinghouse) Ciclo I-S (Yodo- Azufre) o General Atomic Process Ciclos termoquímicos óxido de metal volátil Óxido de Zinc Óxido de cadmio... 47

4 3.3 Ciclos termoquímicos de óxido de metal no volátil Óxido de Cerio Óxido de hierro Sodio/ Manganeso Ferritas Ciclo cobre clorhídrico híbrido ESTADO DEL ARTE REACTORES SOLARES Introducción Clasificación de los reactores solares Reactores directos Reactores volumétricos Reactores de partículas Reactores indirectos Reactores tubulares Reactores de doble cámara Resumen de reactores solares CONCLUSIONES Conclusiones ciclos termoquímicos Conclusiones reactores solares TRABAJOS FUTUROS REFERENCIAS... 98

5 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Descarbonización de las fuentes de energía. [2] Figura 2. Modelo de demanda y distribución de energía asociado al hidrógeno Figura 3. Proyectos de energía aprobados INNPACTO Figura 4. Distribución del presupuesto del Séptimo Programa Marco la investigación colaborativa. [9] Figura 5. Evolución de las patentes de energías renovables. [10] Figura 6. Evolución de las patentes en función de la tecnología renovable. [10] Figura 7. Costes de la producción de hidrógeno a partir de energías renovables en el presente y en el futuro. [11] Figura 8. Evolución coste del petróleo. [12] Figura 9. Distribución del consumo mundial de energía en el Figura 10. Problemas asociados al aumento de demanda de energía Figura 11. Sistema energético basado en el hidrógeno. [11] Figura 12. Evolución de la producción de hidrógeno[16] Figura 13. Fuente de energía primaria y consumo del hidrógeno industrial. [8] Figura 14. Distribución de los techos de generación de energía mediante fuentes renovables. 25 Figura 15. Radiación global horizontal Figura 16. Sistemas de concentración de energía solar. [18] Figura 17. Esquema métodos de producción de hidrógeno mediante energía solar concentrada.[19] Figura 18. Esquema de reformado solar por vapor. [3] Figura 19. Diagrama de bloques del reformado por vapor solar. [21] Figura 20. Esquema cracking de metano solar. [3] Figura 21. Esquema gasificación solar. [23] Figura 22. Energía demandada en función de la temperatura Figura 23. Esquema de electrólisis solar. [3] Figura 24. Descomposición fotocatalítica del agua. [11] Figura 25. Sistema fotoelectroquímico. [11] Figura 26. Producción de hidrógeno fotobiológica Figura 27. Esquema ciclo híbrido de azufre Figura 28. Esquema del ciclo termoquímico I-S Figura 29. Esquema ciclos termoquímicos de óxidos metálicos.[3] Figura 30. Ciclo termoquímico óxido de cerio Figura 31. Esquema del ciclo termoquímico MnFe 2 O 4 -Na 2 CO 3 -Fe 2 O Figura 32. Esquema de la clasificación de reactores solares Figura 33. Reactores solares ensayados en las últimas décadas y clasificados según la potencia y el sistema de absorción de la radiación.[63] Figura 34. Reactor volumétrico para reformado de metano (Wörmer 1998) Figura 35. Esquemas de reformador solar de metano volumétrico del proyecto REFSOL Figura 36. Reactor volumétrico ciclo termoquímico de ferrita Kodama Figura 37. Esquema del reactor para ciclos termoquímicos del proyecto HYDROSOL Figura 38. Obturador laminado del reactor de doble cámara

6 Figura 39. Fotografía y esquema del reactor solar HYDROSOL 2 ( ) Figura 40. Esquema de reactor solar de cortina de partículas de Siegel y Kolb en Figura 41. Esquema de flujo vórtice desarrollado por Steinfeld en Figura 42. Esquema del reactor rotativo de 10 kw propuesto por PSI en Figura 43. Reactor de partículas propuesto por Bertocchi en Figura 44. Esquema del reactor de lecho fluidizado propuesto por Kodama en Figura 45. Esquema del reactor solar para la etapa de reducción de CeO 2 por Flamant Figura 46. Esquema del reactor solar diseñado por CSIRO y Tokio Tech, Figura 47. Reformador DCORE de CSIRO Figura 48. Diseño del reactor solar con tubos de doble pared de Gokon, Figura 49. Esquema y fotografía de reactor para la disociación de amoniaco de Dunn, Figura 50. Esquema del reactor tubular para la pirolisis del metano propuesto por Weimer, Figura 51. Reactor solar tubular para la disociación de metano propuesto por Flamant, Figura 52. Esquema de reactor solar para la etapa de reducción de ZnO propuesto por Steinfeld y Weimer, Figura 53. Esquema del reactor solar doble cámara propuesto por Wieckert en Figura 54. Reactor de doble cavidad para la carbonación del ZnO propuesto por Wieckert en Figura 55. Esquema reactor solar doble cámara SOLZINC ( )

7 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Evolución histórica del hidrógeno Tabla 2. Relación caudal de hidrógeno potencia eléctrica Tabla 3. Producción de hidrógeno mediante termoquímica. [21] Tabla 4. Ciclos termoquímicos de mayor importancia.[21] Tabla 5. Producciones de hidrógeno y conversiones de distintas ferritas soportadas sobre m- ZrO Tabla 6. Resumen de los principales parámetros de los ciclos termoquímicos estudiados Tabla 7. Resumen de las principales características de los reactores estudiados

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9 OBJETIVOS 9 1 OBJETIVOS El proyecto responde a la necesidad de impulsar tecnologías de producción de hidrógeno a partir de fuentes energéticas renovables. En concreto se contempla el desarrollo de tecnologías de producción de hidrógeno limpias, eficientes y competitivas, que contribuyan a la implantación de una economía del hidrógeno utilizando fuentes renovables autóctonas y abundantes, y que generen un impacto significativo en la reducción de la dependencia energética. En este proyecto se realiza un análisis detallado de las distintas tecnologías existentes para la producción de hidrógeno mediante el ciclo termoquímico de ferrita en una torre solar y en un disco parabólico, siendo ambas tecnologías de alta temperatura. Para ello, se llevan a cabo los siguientes estudios: - Análisis los distintos métodos de producción de hidrógeno solar. - Estudio de los diversos ciclos termoquímicos existentes. - Seguimiento histórico del ciclo termoquímico de ferrita. - Estado del arte de los reactores solares para torre y disco parabólico. Este proyecto se corresponde con el estudio previo a la tesis doctoral. Cuyo objetivo final es una metodología de trabajo para desarrollar el diseño térmico de un reactor solar que permita la producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos acoplados a la energía solar térmica de alta temperatura. Para ello, tras una propuesta inicial de receptor/reactor se realizan análisis termofluidodinámicos que permitan proponer mejoras sobre el diseño y validar condiciones de operación para finalmente alcanzar el diseño óptimo del equipo en cuestión junto con la integración de los equipos auxiliares. A continuación, en el esquema, se observan los distintos pasos a llevar a cabo en la realización del Proyecto Fin de Máster y de la Tesis Doctoral.

10 OBJETIVOS 10 Métodos de Producción de Hidrógeno Estudio ciclos termoquímicos Selección de la combinación óptima de tecnologías Revisión bibliográfica reactores solares Proyecto Fin de Máster Selección de geometría inicial del reactor Análisis termofluidodinámico del reactor Tesis Doctoral sí Propuestas de mejoras en el diseño Integración de elementos auxiliares Modelo CFD para el estudio de mejoras de reactores solares

11 OBJETIVOS 11 A la vista de esquema anterior, en este proyecto, se describen los distintos procesos de producción del hidrógeno a partir de energía solar, se analiza el grado de investigación y desarrollo de reactores solares de producción de hidrógeno y posteriormente, se proponen diseños de partida para una instalación completa. El alcance del proyecto se puede dividir en dos puntos: - Desde el punto de vista del proyecto Fin de Máster se consigue una revisión detallada de la producción de hidrogeno mediante energía solar de alta temperatura acoplada a ciclos termoquímicos de ferrita la cual permite conocer el alcance de dicha tecnología comparándola con otras técnicas: ventajas e inconvenientes, grado de desarrollo y alcances. Los apartados en los que se divide el proyecto se describen a continuación: 1. Introducción: en este apartado se identifica la evolución del hidrógeno en la historia y los pasos a seguir para llegar a un sistema energético basado en la tecnología del hidrógeno en España. 2. Sistemas de Producción de hidrógeno: se describen brevemente los distintos procesos existentes para la producción de hidrógeno mediante energía solar de alta temperatura. 3. Ciclos termoquímicos: se realiza un estudio de los procesos de producción de hidrógeno mediante energía solar de alta temperatura acoplada a ciclos termoquímicos. En este apartado se identifican los principales ciclos termoquímicos para posteriormente, poder identificar el ciclo que mejor se adapta a la instalación. 4. Estado del arte de reactores solares: se clasifican y se presentan las principales características de los reactores solares existentes. 5. Conclusiones: tras analizar las principales conclusiones de los capítulos 2, 3 y 4 se presenta la combinación óptima de tecnologías para la producción de hidrógeno limpio con energía solar de alta temperatura.