Investigación experimental del proceso termoquímico de dos pasos CO₂ splitting

Abstract

La conversión de CO2 en monóxido de carbono mediante energía solar ofrece una vía para descarbonizar sectores donde la electrificación directa resulta inviable, como la aviación y el transporte pesado. De las rutas disponibles, el ciclo termoquímico redox de dos pasos con óxido de cerio (CeO2) resulta especialmente atractivo, pues produce los gases por separado y aprovecha el espectro solar completo. Esta Memoria investiga experimentalmente dicho proceso (CO2 splitting, CDS) en el Reactor WS, utilizando resistencias eléctricas Kanthal A-1 como sustituto controlado del aporte solar, con el fin de caracterizar el sistema e identificar sus condiciones óptimas de operación. Sobre una carga fija de 280 g de CeO2 poroso, monitoreada con nueve termocuplas tipo B y un analizador Testo 350, se llevó a cabo una campaña de doce experimentos. Para evaluar la repetibilidad del sistema, diez de ellos se organizaron en tres grupos según su protocolo operacional; el protocolo de reducción extendida operado a mayor temperatura (Grupo G4) exhibió el mejor desempeño en producción específica y tasa de producción de CO. El hallazgo central es que la producción no depende únicamente de la temperatura máxima, sino del grado de reducción efectivamente logrado antes de la inyección. Un análisis cromatográfico independiente permitió caracterizar la composición del gas de proceso y su razón CO:CO2, mientras que las métricas de producción, obtenidas de la señal continua del analizador, constituyen valores conservadores del desempeño real del reactor.

The conversion of CO2 into carbon monoxide using solar energy offers a pathway to decarbonize sectors where direct electrification is unfeasible, such as aviation and heavy transport. Among the available routes, the two-step redox thermochemical cycle with cerium oxide (CeO2) is particularly attractive, as it produces the gases separately and harnesses the full solar spectrum. This work experimentally investigates this process (CO2 splitting, CDS) in the Reactor WS, using Kanthal A-1 electrical resistances as a controlled substitute for solar input, in order to characterize the system and identify its optimal operating conditions. Over a fixed load of 280 g of porous CeO2, monitored with nine type-B thermocouples and a Testo 350 analyzer, a campaign of twelve experiments was carried out. To assess the system’s repeatability, ten of them were organized into three groups according to their operating protocol; the extended-reduction protocol operated at higher temperature (Group G4) showed the best performance in specific yield and CO production rate. The central finding is that production depends not only on the maximum temperature, but on the reduction degree effectively achieved before injection. An independent chromatographic analysis made it possible to quantify the sampling-line dilution and the CO2 conversion, revealing that the analyzer readings represent conservative lower bounds of the reactor’s real performance.