Investigación numérica y experimental de la generación de hidrógeno verde mediante ciclos termoquímicos de dos pasos utilizando óxido de cerio en formato de esponja porosa

Abstract

El cambio climático ha vuelto fundamental el proceso de descarbonización, donde aparece el hidrógeno verde (H2V) como combustible alternativo. En este marco, este trabajo numérico experimental, se centra en la investigación de la producción de hidrógeno verde mediante ciclos termoquímicos de dos etapas (reducción-oxidación) con ´oxido de cerio (ceria) en formato de espuma porosa, utilizando energía solar concentrada y fotovoltaica. Como trabajo numérico se propone un modelo matemático para simular el proceso termoquímico de producción de hidrógeno verde mediante un reactor idealizado de water-splitting (WS), el cual se rige por las ecuaciones de conservación de masa, energía y variación de concentración de vacancias, que se resuelven mediante el método TDMA. Las cinéticas de reacción de la reducción y la oxidación utilizadas se validan con datos experimentales de la literatura. Como trabajo experimental, se diseña y construye un innovador reactor cilíndrico de medio poroso formado por óxido de cerio que recibe energía solar. Se implementa un sistema de gases de entrada (nitrógeno y vapor de agua) y un sistema de medición de hidrógeno verde generado. Se realiza la puesta en marcha del reactor de WS cuyos resultados se contrastan correctamente con los resultados de perfiles térmicos y producción de hidrógeno. Los resultados térmicos de la investigación confirman una alta temperatura en la etapa de reducción y una menor temperatura en la etapa de oxidación. Para parámetros operacionales de: Qred = 30 W, Qox = 0 W, Qce = 3000 kW/m3, uN2 = 8 m/s y uH2O = 2 m/s, se obtienen temperaturas máximas en la etapa de reducción (primera etapa) de 1100 K de forma numérica, y 1050 K de manera experimental, y para la etapa de oxidación (segunda etapa), se trabaja entre temperaturas de 850 K-420 K de manera numérica, y experimentalmente entre 880 K-720 K en promedio. Finalmente, para la producción de hidrógeno, se obtuvo un valor máximo cercano a los 2000 [μmolH2O/gCeO2 ] y 100 PPM en el flujo de salida del reactor, para pruebas numéricas y experimentales, respectivamente. El modelo matemático 1D permitió reconocer el proceso termoquímico de WS para el reactor diseñado y sus distintos parámetros de operación, destacando la mejora de la producción de hidrógeno al: a) En la reducción, incrementar el aporte de concentración solar, permitir una mayor duración de la etapa, y aumentar la velocidad de entrada del nitrógeno, ya que esto permite lograr mayores temperaturas y vacancias, y b) En la oxidación, permitir una mayor duración de la etapa. Para futuros trabajos se recomienda ampliar la investigación hacia un modelo de dos o tres dimensiones que permita reconocer de mejor manera los aportes y pérdidas de calor en el reactor de geometría cilíndrica hueca, y aumentar la potencia proporcionada por el disco parabólico para lograr mayores temperaturas de operación.