Los investigadores de termoquímica solar de la Universidad de Florida y Synhelion probaron una nueva forma de generar gas de síntesis, el precursor de los combustibles de hidrocarburos como el combustible para aviones o el diésel. La producción de gas de síntesis solar es un área de investigación importante para alcanzar los objetivos climáticos. Esto se debe a que la producción de gas de síntesis con termoquímica calentada por un campo solar de helióstatos puede reducir las emisiones de carbono de la industria, el transporte marítimo o la aviación hasta en un 100 %, según la fuente de entrada de hidrógeno y carbono.
En su artículo, Investigación cinética del reformado en bucle químico solar del metano sobre Ni–CeO2 a baja temperatura , un equipo dirigido por el profesor asociado Jonathan Scheffe del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Florida describió su experimento produciendo gas de síntesis a una temperatura más baja. temperatura, usando un catalizador de níquel depositado en ceria.
Ceria (CeO2) es lo último en tecnología para realizar este tipo de reacción termoquímica, pero generalmente requiere temperaturas superiores a 1000°C. Se ha demostrado que la decoración de la superficie de la ceria con catalizadores de metales nobles mejora el rendimiento en comparación con la ceria sola. Sin embargo, un competidor más prometedor es un humilde metal no noble, el níquel (Ni).
Níquel ceria (Ni-CeCO2) para gas de síntesis solar a solo 700 °C IMAGE@ Investigación cinética del reformado en bucle químico solar del metano sobre Ni–CeO2 a baja temperatura
El níquel aceleró la reacción, a temperaturas más bajas.
El equipo de Scheffe estableció que la ceria-níquel (Ni-CeO2) puede producir gas de síntesis más rápido que la ceria sola, incluso a temperaturas más bajas, con una selectividad de gas de síntesis de casi el 100 %. Demostraron que la reacción catalizada por níquel funcionó a temperaturas más bajas que la ceria sola y se mantuvo estable durante un uso prolongado. Ceria apenas reacciona a 700°C. Pero la combinación de Ni-CeO2 que probaron a 700 °C funcionó tan bien como la ceria sola a 1000 °C.
El documento declaró: “El rendimiento general, incluida la conversión de metano y la producción total de gas de síntesis, con Ni–CeO2 a bajas temperaturas (es decir, 700 °C y 800 °C) fue comparable al CeO2 cuando se opera a temperaturas de ciclo más altas de 1000–1100 °C. . “
Esta área de investigación ha atraído a otros científicos
«Ha habido un par de buenas demostraciones de bucles químicos con ceria, y mostraron eficiencias decentes», dijo Caroline Hill, Ph.D. principal. estudiante en el experimento. “Pero estaban a temperaturas relativamente más altas de más de 1000°C”.
El resultado del equipo, la producción exitosa de gas de síntesis a 700°C con Ni-CeO2, tiene implicaciones importantes para la viabilidad económica e industrial de la termoquímica solar.
“Las temperaturas de funcionamiento más bajas pueden proporcionar beneficios económicos”, explicó. “Agregamos níquel, un metal catalítico, para aumentar la cinética y las velocidades de reacción para que podamos operar con conversiones y selectividades similares pero a temperaturas más bajas. Hay todo tipo de ventajas económicas al hacerlo, incluida la disminución de los costos de capital, como la torre receptora y la cantidad de helióstatos necesarios. El uso de temperaturas más bajas también permite costos de materiales más bajos para los componentes del reactor, lo que permite el uso de aleaciones comunes de alta temperatura”.
CLMR personalizable puede producir una variedad de combustibles de hidrocarburos
La técnica que utilizaron (reformado de metano en bucle químico: CLMR) es un proceso de dos partes. En comparación con el reformado tradicional de metano con vapor (SMR), esto permite una personalización precisa en la composición del gas de síntesis final.
“Hay proporciones ideales de hidrógeno a monóxido de carbono para diferentes productos, por ejemplo, para diesel versus combustible para aviones”, explicó Scheffe.
“Hay proporciones ideales de hidrógeno a monóxido de carbono para diferentes productos, por ejemplo, para diesel versus combustible para aviones”, explicó Scheffe.
“Entonces, dependiendo de si queremos más de una proporción de dos a uno de hidrógeno a monóxido de carbono, agregamos una cierta cantidad de H2O en la segunda mitad del ciclo, o si queremos menos, podemos agregar proporcionalmente más CO2. . Entonces, con este control preciso de la composición final del gas de síntesis, podemos ajustar la proporción a lo que queramos en la segunda mitad”.
El experimento con níquel-ceria (Ni-CeO2)
Debido a que la prueba se limitó solo al proceso de reformado de metano, no a toda la tecnología solar, un horno eléctrico simuló el calor que se suministraría desde un campo solar de helióstatos que concentran la luz solar. Calentaron el reactor a temperaturas entre 700 °C y 1100 °C y ajustaron el flujo de gases que entraban usando controladores especiales. También usaron un dispositivo para medir los gases que salían, incluida la cantidad de dióxido de carbono, hidrógeno, metano y monóxido de carbono presentes.
Descubrieron que la selectividad del gas de síntesis se mantuvo por encima de 0,98 durante los 200 ciclos probados.
“Desea que la selectividad esté lo más cerca posible del 100% sin sacrificar otros factores”, dijo Hill.
“Así que esto fue realmente bueno. Pero tampoco pudimos medir la selectividad con altas conversiones de metano hasta que cambiamos a un sistema de reactor más grande. Esto se debe a que tienes que entregar un exceso de metano para observar las reacciones en los experimentos a menor escala que hicimos inicialmente”.
Las pruebas anteriores a pequeña escala se realizaron con 10 miligramos de Ni-CeO2, pero Hill señaló que es un desafío obtener mediciones precisas en reactores tan pequeños. “Pero a medida que aumenta el tamaño del reactor, la definición de selectividad se vuelve más significativa. Entonces, en este caso, el uso de un reactor de lecho empacado más grande nos permitió obtener mediciones de selectividad más precisas, lo que mostró que la adición de níquel mejoró la conversión sin afectar la selectividad de la producción de gas de síntesis”.
Sin embargo, esta prueba todavía estaba en una escala muy pequeña, 1 gramo dentro de un tubo de cerámica. Sin embargo, estos resultados prometedores sugieren que esto debería intentarse a una escala mucho mayor.
Los resultados prometedores necesitan un experimento a mayor escala
“En última instancia, los resultados motivan una mayor exploración a una escala más realista”, señaló Scheffe.
“Doscientos ciclos fue la cantidad máxima que hemos hecho. Pero en un proceso real, estos materiales tendrán que reciclarse diariamente durante algunas décadas, ¿verdad? Probablemente 100 veces al día más o menos. Por lo tanto, es necesario investigar varios órdenes de magnitud más de ciclos. Pero en base a la estabilidad a 200 ciclos, las altas conversiones, las altas selectividades, todo sugiere que esto debería resultar en altas eficiencias cuando se integra en un reactor solar real”.
La Universidad de Florida tiene acceso a un simulador solar de alto flujo que puede probar reactores de hasta 10 kW de entrada térmica. Sin embargo, se necesita más financiación para hacer experimentos a mayor escala.
Scheffe se acercó a la empresa derivada de ETH, Synhelion, que financió la experimentación actual con Ni-CeO2 y el reformado químico de metano en bucle porque ya están trabajando para comercializar la producción solar de combustible de aviación con ceria . Para ampliar el trabajo experimental actual, Scheffe está tratando de obtener fondos de varias agencias federales de EE. UU. y potencialmente de otras industrias bien establecidas que necesitan descarbonización.
“Dos industrias potenciales más que podría imaginar serían la industria de fertilizantes”, dijo. “El hidrógeno es la materia prima más grande e importante para producir amoníaco, que es importante para la industria de los fertilizantes. Y la industria del cemento, donde están generando mucho CO2. Son responsables de casi el 8% de las emisiones globales de CO2”.
https://helioscsp.com/add-nickel-to-ceria-for-solar-syngas-at-just-700c/
