Producción de bio-hidrógeno mediante gasificación catalítica de biomasa con captura integrada de co2

Resumen

El hidrógeno está considerado el vector energético del futuro. Sin embargo, para que la Economía del Hidrógeno sea algo posible, es imprescindible que la producción del mismo sea barata, accesible y sostenible. En la actualidad, el 96% de la producción mundial de H₂ se obtiene a partir de combustibles fósiles, contribuyendo al aumento de la concentración de CO₂ en la atmósfera y el consecuente Cambio Climático. El método más extendido de producción es el reformado de metano con vapor de agua (SMR), que emplea varios reactores catalíticos a diferentes temperaturas para obtener un 70% de H₂ que debe ser purificado posteriormente. En este contexto, la integración del reformado con vapor y la captura de CO₂ en un único proceso se considera una tecnología prometedora. Esta técnica, también conocida como SESR, permite reducir el número de reactores requeridos y la temperatura de operación al mismo tiempo que incrementa el rendimiento y la concentración de H₂. Esto redunda en unos costes menores de instalación y operación. Si el proceso se completa con el uso de combustibles sostenibles como la biomasa, que presentan una emisión neta de CO₂ nula, es posible obtener un H₂ más barato, más accesible y con una menor contribución al Cambio Climático. Para optimizar el proceso SESR se requiere una selección adecuada del catalizador y del sorbente, así como la optimización de las condiciones de operación en función del combustible utilizado. Se ha escogido un catalizador de Pd/Ni-Co soportado sobre hidrotalcita, y dolomía como sorbente de CO₂. Para todos los experimentos se realizó previamente un cálculo del equilibrio termodinámico con el objetivo de obtener una previsión de los valores máximos de rendimiento, selectividad y concentración de los productos, que luego se comparó con los alcanzados por los resultados experimentales. Con el objetivo de obtener las condiciones óptimas de operación del proceso SESR, se llevaron a cabo experimentos en un reactor de lecho fluidizado, modificando tres de las principales variables de operación: la temperatura, la proporción de vapor en la alimentación y la velocidad de flujo o velocidad espacial másica. Para ello se empleó acetona como compuesto modelo para simular el comportamiento de un bio-oil procedente de la pirólisis de biomasa. Del mismo modo, también se empleó reactor de lecho fluidizado para analizar la influencia de la composición del bio-oil durante el proceso SESR. Se llevó a cabo un estudio del comportamiento de diferentes mezclas de ácido acético y acetona en un rango amplio de concentraciones y temperaturas de operación, utilizando la proporción de vapor y la velocidad espacial ya optimizadas previamente. Posteriormente, para alcanzar un mayor grado de complejidad, se utilizaron varias mezclas de fenol, ácido acético y acetona en proporciones cercanas a las que pueden encontrarse en un bio-oil producido a partir de biomasa lignocelulósica. Por último, se llevaron a cabo experimentos de gasificación catalítica de biomasa con vapor e integración de la captura de CO₂ (SECSG) empleando dos biomasas sólidas diferentes. En estos experimentos se utilizó un reactor de lecho fijo al que se alimentó la biomasa de forma semi‑continua, y se evaluó el efecto de la temperatura y la composición del combustible en el rendimiento y la producción de H₂. Hydrogen has been proposed as the energy carrier of the future. However, for the Hydrogen Economy to be feasible, hydrogen production must be cheap, accessible and sustainable. Nowadays, more than 96% of H₂ is produced from fossil fuels, contributing to increase the CO₂ concentration in the atmosphere and leading to a progressive Climate Change. The most widespread method for hydrogen production consists in the steam reforming of methane (SMR), which employs several catalytic reactors at different temperatures to produce gas with a 70% H₂ content, that should be later purified. In this context, integration of steam reforming and CO₂ capture in a single step process called Sorption Enhanced Steam Reforming (SESR) is considered a promising technology. This process allows to reduce the number of required reactors and the reaction temperature, increasing yield and H₂ purity at the same time. The ultimate consequence is to achieve lower costs of installation and operation. Additionally, if a renewable fuel like biomass is fed to the reactor, production of cheaper, accessible and sustainable hydrogen is possible, as biomass has zero net impact in the atmospheric CO₂ concentration, thus reducing the contribution of hydrogen to Climate Change. To optimize the SESR process, an appropriate selection of catalyst and sorbent for CO₂ must be made, together with a proper optimization of the operating conditions. A Pd/Ni-Co-hydrotalcite derived material has been chosen as catalyst, while dolomite has been selected as CO₂ sorbent. All experiments were preceded by thermodynamic equilibrium calculations to estimate the maximum limits of yield, selectivity and concentration of products. This results were later compared with the experimental results obtained. A fluidized bed reactor was employed to assess the optimal conditions for the SESR process. The three main variables modified during these experiments were temperature, steam to carbon ratio (S/C) and weight hourly space velocity (WHSV). Acetone was employed as model compound to simulate the behaviour of biomass pyrolysis derived bio-oil. The fluidized bed reactor was also employed to investigate the effect of bio-oil composition on the performance of the SESR process. The behaviour of blends with different proportions of acetic acid and acetone was tested along a wide range of temperatures. The values of steam proportion and WHSV were chosen from the optimized parameters obtained in the previous work. Thereafter, to reach a deeper knowledge of the influence of composition, several blends of phenol, acetic acid and acetone were prepared at similar proportions to those found in pyrolysis bio-oil, and tested for the SESR process. Sorption Enhanced Catalytic Steam Gasification (SECSG) was carried out employing two solid lignocellulosic biomasses. During these experiments, a fixed bed reactor was fed semi‑continuously with the biomasses in order to evaluate the effect of temperature and biomass composition on yield and H₂ production.