Cap4 Estado del arte reactores solares

ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
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4 ESTADO DEL ARTE REACTORES SOLARES
4.1 Introducción
En una instalación de energía solar, el receptor es el elemento que recibe la radiación solar
concentrada y la transforma en energía térmica. Este proceso generalmente conlleva altas
temperaturas y altos niveles de flujo incidente por lo que debe ser realizado con las menores
pérdidas posibles, por radiación, convección o conducción, de la energía absorbida
previamente y con el menor consumo eléctrico. La energía es absorbida por un fluido, un
sólido o una combinación de ambos que se encuentra en el interior del receptor, y el diseño de
este debe favorecer el intercambio de calor entre la radiación solar y el elemento absorbente.
Si la energía térmica recibida se emplea para llevar a cabo una transformación química se
habla de reactor solar.
En una instalación solar, el propio receptor puede actuar de reactor o bien ambos equipos
pueden ser independientes. Los sistemas independientes son aquellos en los que un
dispositivo actúa de receptor absorbiendo la radiación para calentar un fluido caloportador y
que se lleva hasta un reactor independiente al que le cede calor mediante intercambio
recuperativo. Este tipo de sistemas van a tener menos interés para aplicaciones químicas
puesto que presentan una serie de inconvenientes:
-
Pérdidas de energía en el intercambio de calor: el fluido caliente se lleva hasta un
intercambiador de calor para ceder calor al reactor. Este hecho implica una serie
de pérdidas.
-
Mayor dificultad de operación: El sistema cuenta con al menos dos dispositivos
independientes, además de las conducciones y otros elementos que componen el
circuito hidráulico.
-
Dificultad de diseño del intercambiador de calor: Tanto si el intercambio de calor
se lleva a cabo en el reactor como si es en un intercambiador de calor
independiente, los materiales deben seleccionarse cuidadosamente para soportar
altas temperaturas y facilitar la transferencia térmica.
Debido a los inconvenientes que presentan los sistemas de receptor-reactor independientes,
sólo se analizan los receptores reactores, es decir, los reactores solares.
4.2 Clasificación de los reactores solares
Existen distintas clasificaciones de los receptores/reactores solares dependiendo del criterio
utilizado:[63]
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-
Tipo de material absorbedor de la radiación solar
Principales mecanismos de intercambio de calor
Diseño geométrico
Naturaleza del tipo de fluido térmico utilizado
De acuerdo con el primer criterio, los reactores se pueden clasificar en directos e indirectos:
(Ver Figura 32).
-
-
En los reactores de irradiación directa, la radiación solar concentrada incide
directamente sobre los reactivos químicos o la zona de reacción química. En este caso,
se suelen utilizar fluidos con una alta capacidad de absorción de la radiación y
opcionalmente cargados de partículas. Los reactores solares de partículas con
radiación directa pueden tener muy diversas configuraciones, por ejemplo, cortinas de
partículas o lechos arrastrados.
En los reactores indirectos se introduce un material intermedio que absorbe la
radiación solar. En este caso, el absorbedor actúa como un elemento de transferencia
de calor entre la radiación solar y el fluido o reacción de trabajo.
A su vez, esta clasificación se subdivide de la siguiente forma:
-
-
Los reactores de radiación directa se pueden clasificar en volumétricos o de partículas.
Los reactores volumétricos surgen como una alternativa a los intercambios directos
asumiendo que por su configuración son capaces de alcanzar temperaturas más
elevadas en el gas caloportador. Esto es debido al modo de intercambio térmico que
tiene lugar en el interior, el cual, se basa en que todas las transferencias de calor se
realizan sobre la misma superficie.[64] Los lechos de partículas son receptores de
calentamiento directo que basan su funcionamiento en la irradiación directa sobre
partículas sólidas que absorben el calor. Las principales ventajas de este tipo de
reactores son: alta eficiencia debida a la absorción directa de radiación, se alcanzan
altas temperaturas de operación porque se favorece la transferencia de calor y las
partículas pueden actuar como medio de almacenamiento de calor.[65]Cuando este
tipo de receptores funcionan como reactores, las partículas sólidas constituyen los
reactivos que se transforman mediante la energía térmica absorbida. Puede existir un
fluido que arrastre o mantenga las partículas en suspensión y que a su vez favorezca el
intercambio de calor. En otros reactores solares de lecho de partículas, el reactivo
corresponde a la fase gaseosa. Para favorecer la absorción de calor en el gas, se genera
un lecho de partículas sólidas de un material poroso que consigue aportar una gran
superficie de intercambio de calor. Esto genera un buen medio absorbente si el
tamaño de partícula es elegido correctamente y el material tiene las propiedades
ópticas apropiadas. [66]
Por otro lado, los reactores indirectos a su vez se pueden clasificar en tubulares o de
doble cámara. Los primeros dispositivos de intercambio indirecto empleados en
energía solar de concentración fueron receptores tubulares con aplicaciones
termoeléctricas. Estos receptores se basan en una cavidad opaca en la cual se
introduce la energía solar a través de una apertura que irradia sobre una serie de
tubos por cuyo interior circula un fluido que aumenta su energía térmica. Las primeras
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aplicaciones termoquímicas están basadas en el tratamiento de combustibles,
principalmente reformado de metano, oxidación parcial y conversión de biomasa. [67]
Los reactores de doble cámara se desarrollan en el año 2003 en el PSI. Se basan en dos
cámaras colocadas una encima de otra de forma que la cámara superior se comporta
como el agente absorbedor y la cámara inferior como el lugar donde se produce la
reacción química.
Figura 32. Esquema de la clasificación de reactores solares.
En las aplicaciones químicas de producción de combustibles solares es necesario preservar la
estanqueidad en la zona de reacción, por lo que puede ser necesario utilizar ventanas
transparentes.
En la Figura 33 se muestra la diversidad de configuraciones de reactores solares ensayados en
las últimas décadas.
Por último, en los siguientes apartados se describen los principales reactores solares,
indicando la escala de desarrollo y las principales características de los mismos. A lo largo del
capítulo se observa la diversidad de los métodos mediante los cuales se puede llevar a cabo la
producción de hidrógeno, sin embargo la mayoría de los procesos encontrados se
corresponden con ciclos termoquímicos.
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Figura 33. Reactores solares ensayados en las últimas décadas y clasificados según la potencia y el sistema de absorción de la radiación.[63]
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4.3 Reactores directos
4.3.1
Reactores volumétricos
A finales de los años 70 surgieron en Estados Unidos las primeras ideas en relación a
receptores volumétricos, inicialmente con aplicaciones termoeléctricas. En la década de los 80
aparecieron algunos conceptos innovadores en receptores volumétricos (sobre todo en lo
referente a la estructura absorbente), mientras que en los 90 se avanzó en la selección de los
conceptos con mayor potencial, mejorando y escalando los receptores que daban mejores
resultados.
En 1998, Wörmer desarrolla un reformador de metano con una potencia de entre 200 y 300
kW.
Figura 34. Reactor volumétrico para reformado de metano (Wörmer 1998).
Este reactor volumétrico cuenta con una ventana cóncava por la cual penetra la radiación
solar. En el interior existe una estructura absorbedora de material catalítico, para dicho
material se probaron dos sistemas, una estructura de espuma de Al2O3 la cual se utilizó como
soporte para el Rh, metal activo y otra de cerámica de SiC. El metano se inyecta por la parte
delantera, de forma tangencial a la ventana y el producto se extrae por la zona posterior.
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Este sistema fue probado en la torre solar de pruebas del Instituto Weizmann en Israel donde
se observó que la actividad del catalizador permite alcanzar conversiones de hasta el 80 %
operando a temperaturas entre 700 y 860 ºC para una presión absoluta de 3,5 bar. Por otro
lado, se determinó que para ambos sistemas catalíticos aparecieron deposiciones de coque
tras la prueba solar.
Con este reactor solar se consigue la producción de hidrógeno con un ratio de CO2/(CO2+H2O)
para metano bajo, en torno a 1,8 mientras que para los procesos industriales del reformado de
metano este valor se encuentra entre 2,4 y 3 mejorando así la eficiencia del sistema.
El proceso de reformado de metano solar ha sido probado a 1100 K y entre 8 y 10 bar en una
instalación de torre solar para una potencia de entre 300 y 500 kW. Una de las tecnologías que
ha permitido llevar a cabo este hecho consiste en un reactor solar volumétrico directo, el cual
fue propuesto en el proyecto SOLREF (2004-2009).
El principal componente de este reactor solar es el absorbedor cerámico poroso, revestido con
un catalizador de Rh, el cual está directamente expuesto a la energía solar concentrada,
radiación. Una ventana de cuarzo cóncava, instalada en la apertura minimiza las pérdidas por
reflexión y permite la operación del sistema a presiones elevadas. Los reactivos entran por la
parte posterior del reactor y circulan por los laterales de la carcasa exterior que envuelve la
zona de reacción. Una vez que alcanzan la cámara formada entre la ventana de cuarzo y el
absorbedor, los reactivos atraviesan el material cerámico poroso donde tiene lugar la reacción
para posteriormente salir los productos por la parte posterior del reactor. Por otro lado, se
instala un CPC delante de la ventana para concentrar el flujo solar que incide en el reactor. [68]
Figura 35. Esquemas de reformador solar de metano volumétrico del proyecto REFSOL.
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A partir de las simulaciones realizadas para caracterizar el sistema se asume que la conversión
del metano es del 83,7 % cuando la instalación opera a 813 ºC y 10 bar.[69]
En el año 2008, se desarrolla a escala de laboratorio un reactor volumétrico para la disociación
del agua mediante el ciclo termoquímico de ferrita soportada en circona.
El elemento absorbedor es de tipo espuma, sobre el cual se fija el reactivo que es irradiado
directamente con un simulador solar.
El preparado de Fe3O4/YSZ/MPSZ no es fijo por lo que se coloca sobre un plato de cuarzo
poroso al final de la tubería de entrada (Ver Figura 36). Los diámetros interiores de las tuberías
de entrada y de salida son de 31 mm y 39 mm respectivamente.
Figura 36. Reactor volumétrico ciclo termoquímico de ferrita Kodama 2008.
El proceso consiste en una etapa previa de precalentamiento del elemento absorbedor hasta
800 ºC para posteriormente alcanzar temperaturas entre 1400 y 1450 ºC con una lámpara de
Xe de 7 kW que simula la radiación solar durante períodos de entre 30 y 60 minutos de
exposición. El absorbedor se sitúa en el foco del concentrador el cual genera una mancha de 7
cm2 de diámetro. Un caudal de nitrógeno de 0,3 Nm3/min se hace atravesar por el absorbedor
de tipo espuma hacia el tubo exterior para el arrastre del oxígeno liberado en la etapa de
reducción del óxido.
Posteriormente, el dispositivo de espuma térmicamente reducido se fija en un reactor de tubo
de cuarzo con un diámetro interior de 31 mm para llevar a cabo la etapa de disolución del agua
y producción de hidrógeno.
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Este dispositivo ha sido probado para cantidades de reactivo menores de 1 gramo alcanzando
conversiones en torno al 20 – 27%. [58]
En el proyecto HYDROSOL (2002-2005) se propone un reactor volumétrico solar de 10 kW
concebido para la realización de los ciclos termoquímicos para la disociación del agua. El
modelo fue ideado a partir de los convertidores catalíticos de los automóviles. [70]
El sistema consiste en dos cámaras volumétricas sobre cuyas estructuras internas
(multicanales cerámicos) se ha fijado el óxido metálico.
Figura 37. Esquema del reactor para ciclos termoquímicos del proyecto HYDROSOL.
Al estar constituido por dos cámaras se pueden realizar las dos etapas del ciclo
simultáneamente. Mientras en uno de los reactores se está llevando a cabo la oxidación, en el
otro se realiza la reducción. Para la disociación del agua, en la cámara correspondiente se
inyecta vapor de agua diluido en nitrógeno, mientras que en la otra etapa del ciclo se inyecta
nitrógeno puro para conseguir las condiciones requeridas de atmósfera inerte.
Figura 38. Obturador laminado del reactor de doble cámara.
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Por otro lado, la reacción de oxidación requiere menos temperatura que la de reducción, por
tanto, un obturador laminado regula, mediante un motor, el flujo de radiación que recibe cada
cámara en cada momento, para conseguir que se alternen las dos etapas del ciclo. El
obturador laminado está situado a un metro delante del foco del reactor solar.
Los rangos de temperatura que se alcanzan en la reducción y la oxidación son 1423 - 1473 K y
1073 - 1123 K.
En este proyecto, se logra una producción continua de hidrógeno durante más de 50 ciclos con
un monolito recubierto.
Posteriormente en el proyecto HYDROSOL 2 entre 2005 - 2009, este reactor es escalado hasta
100 KW y probado en la Plataforma Solar de Almería, regulando, en este caso, el flujo solar
mediante el campo de helióstatos. Es este caso, la conversión de vapor a hidrógeno
conseguida es del 30 % en noviembre de 2008. [71]
Figura 39. Fotografía y esquema del reactor solar HYDROSOL 2 (2005-2009)
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4.3.2
Reactores de partículas
Los primeros receptores solares de partículas sólidas (SPSR) se estudiaron a principios de los
años 80 con el fin de desarrollar receptores centrales de absorción directa que proporcionaran
altas temperaturas (>900 ºC) al fluido caloportador empleado en la generación de
electricidad.[72]
En 2008 Siegel y Kolb construyeron un prototipo de receptor de partículas sólidas (SPR) de 2
MW consistente en una cavidad sobre la que caía una cortina de partículas esféricas que se
irradiaban directamente con energía solar. Este prototipo ha sido probado en el Nacional Solar
Termal Test Facility (NSTTF) en Albuquerque, Nuevo México.
Las dimensiones del receptor son 6,3 m de altura, 1,85 m de anchura y 1.5 m de profundidad.
La apertura tiene un diámetro de 1,5 m.
El interior y la superficie frontal de la cavidad que rodea la apertura están recubiertos por una
capa aislante (alúmina-sílice rígido, cuyo punto de fusión es 1760 ºC).
Figura 40. Esquema de reactor solar de cortina de partículas de Siegel y Kolb en 2008.
El reactor funciona en modo bach; mediante un silo situado en la zona superior que tiene
capacidad para 1800 kg de partículas (aluminiosilicato con 7% de Fe2O3)
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Las partículas caen a través de la apertura, donde son calentadas y se recogen en el colector
situado en la zona inferior. El grosor de la cortina puede variar según van cayendo las
partículas pero no debe superar los 20 cm.
Se ha evaluado la temperatura de las partículas y la eficiencia del receptor en función de la
potencia de la radiación en la apertura y del flujo de partículas, obteniendo unas temperaturas
máximas en las partículas en torno a los 250 ºC. Puesto que el prototipo se propuso con el fin
de emplearlo en aplicaciones químicas las temperaturas requeridas están muy por encima, en
torno a los 900 ºC. Por ello, el estudio realizado por Siegel y Kolb concluye que dicha
temperatura se puede llegar a alcanzar optimizando el diseño óptico del receptor y
aumentando la concentración de la radiación hasta 800 soles, desde los 400 utilizados en este
ensayo. Además será necesario recircular las partículas para aumentar el tiempo de residencia
o aumentar la altura de la apertura.[73]
En 1998, Steinfeld propone un modelo de reactor para la reducción de ZnO con CH4 también
aplicable a otras reacciones de alta temperatura. Se basa en la generación de un vórtice en el
interior del reactor al alimentar las partículas de reactivo junto con una corriente gaseosa. Este
sistema está basado en la teoría de que los reactores de vórtice, al igual que los ciclones, han
demostrado ser dispositivos eficaces para la transferencia de calor a las partículas.
Este reactor consiste en una cavidad cilíndrica que contiene una ventana por la cual penetra la
radiación concentrada. Las partículas de ZnO entran en el reactor junto con el gas CH4 y
forman un vórtice al chocar con las paredes de la cavidad. Finalmente, los productos (zinc e
hidrógeno) se obtienen continuamente de forma tangencial por la zona delantera del reactor.
Un flujo auxiliar de gas entra por la parte delantera para evitar la deposición de partículas en la
ventana. [74]
Figura 41. Esquema de flujo vórtice desarrollado por Steinfeld en 1998
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Se ha construido y probado un prototipo a pequeña escala, con una potencia solar incidente
de 5 kW. El cuerpo del reactor está formado por una cavidad cilíndrica de 10 cm de diámetro y
20 cm de longitud de una aleación de acero resistente al calor. A una distancia de 6 cm de la
apertura, la cavidad-receptor se equipa con un embudo de aluminio cónico divergente de
manera que la ventana se podría colocar 7 cm delante del plano focal donde la intensidad de la
radiación es aproximadamente 10 veces más pequeñas y la deposición de polvo es menos
probable.
Los mejores resultados de los ensayos se obtienen a mayores temperaturas, mayores
concentraciones de CH4, y cuando los reactivos son precalentados. Cuando se alcanzan
temperaturas de 1300 K en el reactor, se obtienen conversiones de ZnO a Zn de hasta el 50%.
Durante los ensayos, no se detectó deposición de carbono entre los productos. Por otro lado,
la conversión de metano en gas de síntesis es incompleta debido a que la reacción se ha
efectuado con exceso de metano. La conversión completa de ZnO y CH4 se puede lograr
mediante el aumento de la temperatura de operación y el tiempo de residencia, o por
recirculación de los efluentes sin reaccionar a través del reactor. [74]
El proyecto SYNPET (2003-2009) dio lugar a la creación de un modelo de reactor similar al
anterior de 10 kW aplicado a la gasificación de materiales carbonosos. Este reactor fue
escalado hasta 500 kW y probado en la plataforma solar de Almería. [75]
En el año 1998, Steinfeld propuso un primer concepto de reactor de rotativo con ventana para
la absorción directa de la radiación, aplicado a la reducción de Fe3O4. [76]
En 2007, Steinfeld con el PSI, propone un reactor de 10 kW el cual consiste en una cavidad
rotativa. En la parte delantera de dicha cavidad, se coloca una ventana de 6 cm de diámetro.
Este reactor se diseña para la etapa de reducción de ZnO como parte del ciclo termoquímico
del Zn para generar hidrógeno. [33,75] Las partículas de ZnO son alimentadas por la zona
opuesta a la entrada de la radiación y la fuerza centrípeta hace que sean enviadas a las
paredes del reactor, donde tiene lugar la reacción química.
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Figura 42. Esquema del reactor rotativo de 10 kW propuesto por PSI en 2007.
Por otro lado, la eficiencia química que se obtiene en el reactor es del 14,8%.
En 2004, Bertocchi [77] propone un modelo de receptor de partículas que puede incrementar
la temperatura del gas en 1000 K por encima de lo conseguido hasta el momento. Se basa en la
idea de añadir una nube de partículas de carbón submicrométricas (0,2-0,5 % en peso) a una
corriente gaseosa con el fin de incrementar su temperatura respecto a la que se conseguiría en
ausencia de partículas.
Este receptor fue diseñado para una potencia de entrada de 10 kW, operando bajo atmósfera
presurizada gracias a la ventana transparente por la que se introduce la radiación. Dicha
ventana es de cuarzo y está refrigerada, por otro lado, se mantiene limpia gracias a una
inyección de gas que evita la deposición de partículas sobre la misma.
La zona de inyección de las partículas y el gas está formada por un módulo de acero resistente
a altas temperaturas de 40 mm de altura y 78 mm de diámetro. La cavidad del reactor es de
ZrO2 y está recubierta por una capa de Al2O3-SiO2. Esta cavidad tiene forma cónica y en la zona
inferior consta de una serie de orificios para medir la temperatura de salida del gas. El
recubrimiento exterior del reactor es una carcasa de acero inoxidable.
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Figura 43. Reactor de partículas propuesto por Bertocchi en 2004.
En los ensayos se midieron las temperaturas de salida para tres gases diferentes, nitrógeno,
aire y dióxido de carbono, variando dicha temperatura entre 1740 y 1980 K.
En el año 2008, Kodama[78] desarrolla un nuevo concepto de reactor solar de lecho fluidizado
para la disociación del agua a partir del ciclo termoquímico de ferrita, el cual es probado a
escala de laboratorio.
Este reactor está formado por dos tubos de cuarzo, el tubo externo es de 45 mm de diámetro
externo y 2,5 mm de espesor mientras que el tubo interno tiene un diámetro interno de 20
mm y 2,5 mm de espesor. La longitud del tubo es de 10 mm. El fondo del tubo interno está
colocado a 11 mm de un distribuidor de gases poroso.
Otro tubo de cuarzo cónico cuyo diámetro superior es de 6 mm y el inferior es de 11 mm y que
está fijado sobre el distribuidor de gases, favorece la circulación interna.
Una corriente de nitrógeno es inyectada por la parte inferior y mediante el distribuidor se
genera la circulación interna, previamente, el reactor ha sido precalentado hasta los 900 ºC
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utilizando una resistencia eléctrica. Por el otro extremo, se encuentra el simulador solar de
0,82 kW el cual actúa como fuente energética. La focal de la elipse se corresponde con el
centro del lecho estático (previa inserción del gas) cuya altura depende del nivel de carga del
reactivo.
Los productos son extraídos a través de la salida de gases y el sólido es filtrado.
Figura 44. Esquema del reactor de lecho fluidizado propuesto por Kodama en 2008.
En este sistema se alcanza una conversión de la ferrita del 15 % a los 60 minutos, con una
temperatura de 1000 - 1200 ºC con una producción de hidrógeno de 3,4 Ncm3/g.
En 2006, Flamant [34] desarrolla una serie de estudios para realizar la etapa de reducción de
CeO2 para la producción de hidrógeno a partir del ciclo termoquímico metálico de cerio en un
reactor solar a escala de laboratorio en el que introduce el reactivo en forma de pellets
manteniéndolo fijo mientras es iluminado por la radiación solar.
Se trata de un reactor esférico, transparente, fabricado de Pirex. Este tipo de reactor está
cerrado y permite operar bajo atmósferas controladas: inerte, vacío, etc. En este caso, un gas
inerte se introduce por la zona posterior del reactor, y fluye de forma continua arrastrando el
oxígeno que se genera en la reacción de reducción.
Sobre un soporte que contiene agua de refrigeración se coloca el reactivo que es calentado
directamente mediante energía solar concentrada procedente de un concentrador parabólico.
La reacción tiene lugar a una presión constante en el rango de 100-200 mbar, la cual se regula
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79
con un manómetro y una bomba de vacío. A partir de este sistema, se alcanzan temperaturas
de 2000 ºC.
El sólido reducido se obtiene de forma discontinua después de un tiempo de reacción de entre
2 y 6 minutos para muestras iniciales de 0,2-0,5 gramos.
Figura 45. Esquema del reactor solar para la etapa de reducción de CeO2 por Flamant 2006.
Este reactor de 10 kW de potencia, fue diseñado en una colaboración del CSIRO y el Tokio Tech
para el proyecto Asia-Pacific Partnershipon Clean Development and Climate en el año 2009.
Este reactor está concebido para desarrollar un ciclo termoquímico de oxidación-reducción
completo, intercalando ambas etapas gracias al movimiento rotativo. El reactivo sólido está
fijado sobre el cilindro rotativo.
A través de una ventana transparente, el reactor es iluminado por la radiación solar
concentrada, donde tiene lugar la reacción endotérmica de reducción. Después, debido al giro
del cilindro, el sólido reducido pasa a la zona donde tiene lugar la reacción de disociación del
agua.
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
80
Figura 46. Esquema del reactor solar diseñado por CSIRO y Tokio Tech, 2009.
El reactor tiene un rotor que permite el paso alternativo de los reactivos, que están fijados a la
pared externa del reactor, por dos celdas en las que tiene lugar la reducción y la oxidación
respectivamente. La radiación solar directa incide en la celda en la que tiene lugar la etapa de
reducción, alcanzando una temperatura de 1773 K. La hidrólisis se realiza a una temperatura
de 1473 K. El tiempo de calentamiento de los reactivos en la celda de reducción es de 3 s. [79]
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
81
4.4 Reactores indirectos
4.4.1
Reactores tubulares
La naturaleza de la interfaz solar-proceso ha sido discutido por Bowman (1980), Galindo y
Bilgen (1982), y Lin (1984)[80]. En 1985, Funk y England comienzan a considerar la posibilidad
de utilizar la energía solar para la generación de hidrógeno y propone para ello un reactor
tubular incluido dentro de un receptor solar de cavidad. En sus estudios contempla el análisis
de las temperaturas alcanzadas en el interior del tubo, el flujo de calor incidente, realiza
diversos estudios dinámicos y tiene en cuenta las operaciones de regulación y control.
Posteriormente, Kameyama en 1993 se suma a la utilización de reactores tubulares, cuando
modela un reactor solar desarrollado por GA Technologies Corporation en Estados Unidos para
distintas aplicaciones químicas. Los resultados de este estudio muestran una buena
reproducción de los datos experimentales en cuanto a los valores de temperaturas y de los
tiempos de residencia tanto en condiciones estacionarias como no estacionarias. [81]
R. Levitan en 1989[67] desarrolla en el Weizmann Institute of Science un reactor de 3 kW para
reformado de metano consistente en un tubo de Inconel relleno de catalizador de Rh. Los
productos se obtenían a la salida con una temperatura entre los 700 y los 1000 ºC. Se
propusieron otros modelos de reactores tubulares a pequeña escala usando catalizadores de
rodio [82][83,84] y catalizadores de hierro. [85]
En 1996, Epstein y Spiewak desarrollan un reactor tubular para reformado de metano no
catalítico con una potencia de 480 kW. Se trata de la primera aplicación a mayor escala y
destaca por tratarse de un proceso no catalítico, a diferencia de la mayoría de las aplicaciones
de los reactores solares tubulares. [86]
El Australian Common Wealth Scientific and Research Organization (CSIRO) comenzó a trabajar
en 1999 en un reformador solar de metano de 25 kW. Dicho reformador consistente en un
tubo en forma de bobina, este modelo fue diseñado para trabajar a temperaturas de 850 ºC y
presiones de 2 MPa y su funcionamiento fue demostrado con éxito en el disco Lucas heights en
Sydney y recientemente en el NSEC de Newcastle. El reformador fue diseñado en acero
inoxidable resistente a altas temperaturas y para operar durante 1000 horas. Para llevar a
cabo las reacciones del reformado contiene el catalizador de níquel Haldor Topsøe R-67-7H.
Tras el éxito de este reformador, CSIRO diseñó e instaló un reactor de mayor escala, Dual Coil
Reformer (DCORE), el cual fue instalado el junio de 2009 y es capaz de procesar 200 kW
térmicos de gas natural a 1 MPa y 850 ºC. Este reactor consiste en un tubo enrollado en forma
de bobina colocado sobre una torre solar. Tiene una anchura aproximada de 2,5 m. [87]
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
82
Figura 47. Reformador DCORE de CSIRO 2009.
En 2009, Gokon [88][89] propone un reformador de metano solar consistente en un reactor
tubular catalítico con tubos de doble pared.
En el interior de los tubos internos se fija el catalizador y en la zona anular se coloca
PCM/material cerámico, que tiene la propiedad de ser un buen absorbedor de la energía. Con
este método se pretende que los tubos catalíticos reciban calor de la zona anular en aquellos
momentos en los que la radiación solar no exista o no sea suficiente debido a las condiciones
meteorológicas. En este nuevo diseño, la radiación solar alcanza una única pared del
catalizador y los gases reactivos. Además, si el reactor se enfría a temperatura por debajo de la
operación y luego se recalienta, lo que podría ocurrir durante el reinicio después de largo plazo
enturbiamiento, el reactor puede reiniciar su actividad antes, con una potencia de entrada
menor.
Los tubos son de acero inoxidable (SUS-310S) y tienen una longitud de 340 mm. Las
dimensiones de los tubos que contienen el PCM son un diámetro exterior de 42,7 mm,
diámetro interior 37,1. Mientras, que las dimensiones del tubo de catalizador son un diámetro
exterior de 13,8 mm y un diámetro interior de 9,8 mm; una parte del tubo se cortó en paralelo
al eje central del tubo y soldado a la pared del tubo que contiene el PCM. El material con el
cual se rellena el hueco entre los tubos interiores y exteriores es carbonato (Na2CO3)
compuesto con MgO.
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83
Figura 48. Diseño del reactor solar con tubos de doble pared de Gokon, 2009.
Se llevan a cabo diversos experimentos a escala de laboratorio para determinar el
funcionamiento del reactor con distintos materiales cerámicos. En los mejores casos se
alcanzan temperaturas de 1000 ºC en el lecho catalítico para conversiones de metano hasta
del 100% y eficiencias térmicas del 50 %. Gokon pretende demostrar que la existencia de la
doble pared cerámica mejora la eficiencia y la temperatura de operación. (Sin pared cerámica
se alcanzarían conversiones máximas de metano del 80 % y temperaturas de 900 ºC).
Dunn propone en 2004 [90] un diseño adaptado a un disco Stirling que consiste en un reactor
tubular para la disociación del amoniaco. Inicialmente se creó un prototipo para un disco
Stirling de 20 m2 para después desarrollar otro reactor a mayor escala adaptado a un disco de
500 m2.
El prototipo consiste en un conjunto de 20 tubos de inconel catalíticos empaquetados de 0,5 m
de longitud incluidos dentro de una cavidad aislada. Un flujo de amoniaco se hace pasar a
través de los tubos a una presión de 20 Mpa con una temperatura superficial de los tubos
superior a 750 ºC para que tenga lugar la reacción. [91]
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
84
Figura 49. Esquema y fotografía de reactor para la disociación de amoniaco de Dunn, 2004.
Se realizan diferentes simulaciones en las cuales se prueba distintas geometrías para la
distribución de los tubos. Estas simulaciones se realizan para determinar la eficiencia de las
distintas geometrías concluyendo que la más eficiente tanto química como desde el punto de
vista del receptor, es la configuración que se muestra en la Figura 49, que alcanza valores de
39% y 56% respectivamente.
Weimer desarrolla en 2004 un reactor indirecto de flujo aerosol que recibe la energía solar a
través de un concentrador secundario[92].
El reactor está formado por tres tubos concéntricos: el tubo interno que mide 12 mm de
diámetro y 31 de longitud, el tubo central con un diámetro de 21 mm y 36 mm de longitud.
Estos dos tubos son de grafito y el interior poroso. El tubo externo es de cuarzo.
Figura 50. Esquema del reactor tubular para la pirolisis del metano propuesto por Weimer, 2004.
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
85
El tubo exterior deja pasar la radiación que calienta el tubo central, el reactivo se introduce en
el interior del tubo interno y entre el tubo interno y el central se hace pasar una corriente de
gas inerte (argón) que se calienta a través de la pared externa del anillo con la radiación
incidente y atraviesa los poros llegando hasta el tubo interno. Mediante este modo de
operación se evita que partículas de carbón se depositen sobre las paredes del tubo interior. El
metano es alimentado al reactor por la parte superior del reactor al tubo interior y los
productos se extraen por la parte inferior del mismo. Por otro lado, se hace pasar una
corriente de argón por la región anular entre le tubo exterior y el intermedio de forma que se
obtiene una atmósfera inerte que evita la oxidación del grafito de los tubos.
En este reactor tubular se alcanzan temperaturas superiores a 2000 K a partir de la energía
térmica concentrada. Se obtiene una conversión del metano a hidrógeno de aproximadamente
el 90% para una temperatura de la pared del reactor de 2133 K y un tiempo de residencia
promedio de 0,01 segundos al irradiar con una potencia de 9 kW.
En el siguiente estudio, Flamant [93] propone la descomposición térmica solar del gas natural
para la producción de hidrógeno y carbono. El trabajo se probó en el horno solar del CRNS
PROMES con una potencia de 10 kW (media escala), basado en el concepto de calentamiento
indirecto, tubular.
El reactor solar se compone de un receptor de cavidad negra cúbica, de 20 cm de lado, que
absorbe la radiación solar concentrada a través de una ventana de cuarzo de 9 cm de
diámetro. El gas de reacción formado por metano y argón, fluye dentro de cuatro tubos dobles
verticales de grafito situados en el interior de la cavidad. El gas de reacción se introduce por el
interior de los tubos y sale por la zona anular, permitiendo así incrementar el tiempo de
residencia en el interior de la zona de reacción y precalentar los reactivos.
Figura 51. Reactor solar tubular para la disociación de metano propuesto por Flamant, 2009.
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
86
Los resultados experimentales obtenidos para este reactor tubular son una conversión de
metano y producción de hidrógeno de hasta 98% y 90%, respectivamente, para una
temperatura de 1770 K y un tiempo de residencia de 32 minutos.
En el año 2007, Steinfeld y Weimer [94] desarrollan un reactor solar de cavidad cilíndrica
(reactor tubular) de 5 kW para llevar a cabo la etapa de reducción térmica del ZnO para la
producción de hidrogeno mediante el ciclo termoquímico del óxido de zinc.
La cavidad solar/receptor consiste de un cilindro de 10% en peso YO2-ZrO2 estabilizado, con un
radio interior de 2,54 cm y un radio exterior de 3,81 cm, forrado con alúmina (Al2O3) como
aislamiento. El elemento absorbedor consiste en un tubo de alúmina, con un radio interior de
0,9525 cm y un radio exterior de 1,27 cm, el cual esta posicionado concéntrico con la cavidad
cilíndrica.
La cavidad cuenta con una apertura en la que se coloca una ventana rectangular de 1,414 cm
de anchura y longitud de 15 cm. Dicha apertura está refrigerada por agua y en ella se incorpora
un CPC de ángulo de aceptancia 45 º.
Figura 52. Esquema de reactor solar para la etapa de reducción de ZnO propuesto por Steinfeld y Weimer, 2007.
Este reactor tubular es probado en el simulador solar de ETH que consta de un arco de argón
que genera una potencia radiante de hasta 4500 kW/m2.
La eficiencia de conversión de energía es del 28,5 % para una temperatura del reactor de 2300
K y una potencia por unidad de longitud de 40 kW/m.
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
87
4.4.2
Reactores de doble cámara
Se desarrolla un nuevo concepto de reactores solares basados en dos cámaras, colocadas una
encima de la otra de forma que la cámara superior se comporta como el agente absorbedor y
la cámara inferior como el lugar donde se desarrolla la reacción química. Estos reactores
solares son conocidos como reactores de doble cámara.
Un reactor doble cámara, a pequeña escala (5 kW de potencia) fue desarrollado para la
gasificación de materiales carbonosos. [95]
Figura 53. Esquema del reactor solar doble cámara propuesto por Wieckert en 2008.
La configuración del reactor solar presenta dos cavidades en serie. La cavidad superior
contiene el elemento absorbedor solar y una abertura a partir de la cual entra la radiación
solar concentrada. La cavidad inferior consiste en la cámara de reacción y contiene el lecho fijo
en la parte superior del inyector de vapor. Una placa emisor separa las dos cavidades.
Por otro lado, se incorpora un concentrador parabólico compuesto (CPC) en la abertura del
reactor para aumentar más el flujo de incidencia solar antes de pasar a través de una ventana
de cuarzo en la cavidad superior. Posteriormente, la placa emisor es directamente irradiada y
actúa como absorbedor solar y como emisor radiante a la cavidad inferior. Su principal
propósito es eliminar el contacto directo entre la ventana de cuarzo y los reactivos/productos,
para impedir así la deposición de partículas o gases condensables sobre la ventana de cuarzo y
para que esta permanezca limpia durante el período de funcionamiento. Además, proporciona
un calentamiento uniforme del lecho fijo a través de la re-radiación. La cavidad superior
también sirve como un amortiguador de choque térmico, una propiedad deseada dada la
naturaleza intermitente de la radiación solar concentrada. El reactor se opera en modo por
lotes, es decir, el lecho fijo se reduce a medida que progresa la reacción de gasificación.
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
88
Un prototipo de este reactor de 5 kW de potencia ha sido probado en el PSI. Para ello, la
cavidad superior se sella con la ventana de cuarzo fundido de 3 mm de espesor situada en la
abertura y se purga con un caudal de argón de 2 Nl/min (en proyectos futuros se tiene como
objetivo eliminar de la ventana de cuarzo, sellando la cavidad superior con la placa emisor). La
placa emisor es de grafito revestido con SiC. La cavidad inferior se recubre con 6 mm de de SiC
y con 70 mm de espesor Al2O3-SiO2como aislamiento.
La temperatura típica de operación en la superficie del lecho está entre los 1150 - 1250°C.
A partir de este concepto surgieron algunas variantes. En el año 2003 en el PSI, Wieckert
propone un prototipo de 5 kW para la carbonatación del óxido de zinc, dado que para este
proyecto los reactivos utilizados son óxido de zinc y compuestos de carbono (metano) [74], se
tiene como subproducto hidrógeno. [96,97]
Figura 54. Reactor de doble cavidad para la carbonación del ZnO propuesto por Wieckert en 2003.
Este reactor consta de una cámara superior, la cual está formada por un CPC por donde se
introduce la radiación solar a través de una ventana de cuarzo. Esta cámara está formada por
un cilindro de SiC y cerrada por la parte inferior mediante una semiesfera. De esta manera, la
cámara inferior, donde tiene lugar la reacción química es calentada. La cámara inferior está
aislada y gira a 7 rpm con el fin de distribuir uniformemente los reactivos. El reactor funciona
en modo Bach, es decir, precisa de un control automatizado de la temperatura de reacción, de
esta forma los productos gaseosos se van retirando a medida que va teniendo lugar la
reacción. El diámetro de la cámara de reacción es de 0,15 m.
Tras este estudio, Wieckert sugiere que los reactores construidos con este concepto de dos
cavidades, pueden alcanzar a pequeña escala una eficiencia superior al 25%, en caso de operar
con un flujo solar mayor o reduciendo las pérdidas por conducción de calor con un mejor
aislamiento. Por otro lado, se puede mantener o mejorar la eficacia de ZnO y CO que participa
en la reacción. La perspectiva obtenida por este trabajo da información valiosa para la
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
89
optimización de este concepto de reactor a gran escala, ampliación de la tecnología a varios
cientos de kW. Tal ampliación se realiza en el SOLZINC-proyecto.
En el proyecto SOLZINC, se realiza la carbonatación del óxido de zinc a gran escala, para una
potencia de 300 kW. Se basa en un reactor de doble cámara que al igual que en el reactor
anterior se produce un calentamiento indirecto de la cámara de reacción a partir de la cámara
superior, pero en este caso la cámara inferior contiene el reactivo en forma de lecho
empaquetado. [98]
La cavidad superior (también llamado cámara superior) sirve como receptor y como
absorbedor de la radiación solar que entra en el reactor a través de una ventana de cristal de
cuarzo. El fondo de la cavidad superior, consiste en una pared delgada de separación de grafito
revestido por SiC. Esta pared de separación calienta la cámara inferior a partir de la
transferencia por conducción, donde los reactantes, una mezcla de ZnO-C, se colocan como un
lecho fijo.
Durante la reacción, el lecho fijo formado por los reactantes se reduce y los productos
gaseosos, principalmente Zn (g), CO, CO2 y debido a la humedad en los reactivos y compuestos
volátiles en la fuente de carbono H2, salen del reactor a través de un tubo de descarga
conectado a una enfriadora para condensar el gas de zinc.
La construcción del reactor consta básicamente de dos partes, una inferior y otra superior. La
parte superior incluye la cámara superior y la zona de la cámara inferior donde se encuentra la
tubería de gas de escape y la entrada del gas portador. La parte superior es estacionaria y se
encuentra debajo del concentrador solar (CPC). La radiación solar concentrada entra al reactor
a través de la ventana de cristal de cuarzo. La parte inferior está conectada a la parte superior
por 12 "tensores roscados" que permite un montaje simple y rápido. Esta parte puede ser
removida y se puede bajar para el llenado del reactor. El espacio interior de la parte inferior
tiene un diámetro de 140 cm. La altura del lecho fijo es de 50 cm, dado que la velocidad de
reducción del lecho fijo es de 7 cm/h para una temperatura de operación de 1450 K, de esta
forma se introduce en la cavidad el material necesario para un día de operación
(aproximadamente 500 kg de ZnO-C mezcla). Tras el período de enfriamiento durante la
noche, el reactor se vuelve a llenar por la mañana antes de operar de nuevo.
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
90
Figura 55. Esquema reactor solar doble cámara SOLZINC (2001-2005).
Este reactor ha sido escalado a 300 kW en el proyecto SOLZINC (2001-2005) y probado en la
torre solar del Instituto Weizmman de Israel, en un rango de temperaturas de 1000-1200 ºC y
con un rendimiento térmico del 30 %. [75]
ESTADO DEL ARTE DE REACTORES SOLARES PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
91
4.5 Resumen de reactores solares
Los reactores de intercambio directo, proporciona una transferencia de calor de radiación
eficiente hacia la zona de reacción, es decir, aquella donde se necesita el aporte de energía,
pasando por alto las limitaciones impuestas por el transporte de calor indirecto a través de los
intercambiadores de calor. El principal inconveniente de estos reactores solares se produce
cuando se trabaja con la reducción o con atmósferas inertes puesto que es requisito la
necesidad de una ventana transparente, componente crítico y problemático en ambientes
severos y a alta presión de gas. Por otro lado, los reactores solares indirectos, eliminan la
necesidad de la ventana transparente. Sin embargo, las desventajas de estos reactores, están
relacionadas con las limitaciones impuestas por los materiales de construcción de las paredes:
limitaciones en la temperatura máxima de operación, conductividad térmica, absorción
radiante, inercia, la resistencia a los choques térmicos y la adecuación para la operación
transitoria. Por ello, en función de las necesidades del método de producción de hidrógeno
unos reactores u otros presentaran mejores características para el diseño. [75]
En la Tabla 7 se muestra un cuadro resumen donde se esquematizan los principales
parámetros comentados con el fin de tener una idea generalizada de los rangos de
temperaturas, eficiencias térmicas y tamaños de los reactores. No obstante, hay que tener en
cuenta que esta información está generalizada y que cada modelo particular que sea diseñado
puede ser ajustado para mejorar cualquiera de sus parámetros de funcionamiento.
Reactores de partículas
1700
Lecho
arrastrado
Lecho
fluidizado
Lecho
fijo
1800
1200
2000
Temperatura (ºC)
1000 1700
Conversión química (%)
100
90 - 98 ---
30 - 40 90
95
---
Eficiencia térmica (%)
50
---
40
---
---
---
60 - 70
50
300
500
2000
50
10
Tamaño máximo Construido (kW) 480
1200 -1300
Reactores de intercambio directo
Reactores
volumétricos
Reactores de doble
cámara
Reactores tubulares
pirolíticos
Reformadores de
metano tubulares
Reactores de intercambio
indirecto
Tabla 7. Resumen de las principales características de los reactores estudiados.