hidrogeno. presente y futuro. oportunidades en i+d · diseño y optimizacion de catalizadores. ......
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Miguel A. Laborde Miguel A. Laborde
Laboratorio de Procesos Catalíticos. Facultad de Ingeniería (UBA) Buenos Aires, Argentina.
HIDROGENO. HIDROGENO. Presente y futuro. Presente y futuro.
Oportunidades en I+DOportunidades en I+D
Ciclo de seminarios de la Gerencia de Investigaciones y Aplicaciones CNEA
28 de agosto de 2013
Que vamos a verQue vamos a ver
Presentación breve del LPCPresentación breve del LPC Que hacemos en el LPC en Hidrógeno + PAE Que hacemos en el LPC en Hidrógeno + PAE Hidrógeno como combustible y como materia Hidrógeno como combustible y como materia
primaprima Oportunidades en I + D.Oportunidades en I + D. Situación actual del Hidrógeno en Argentina –Situación actual del Hidrógeno en Argentina –
Ley de Hidrógeno.Ley de Hidrógeno.
Laboratorio de Procesos CatalíticosDepartamento de Ingeniería Química
Facultad de Ingeniería - Universidad de Buenos Aires
Pabellón de Industrias. Ciudad [email protected]
Sintesis, caracterizacion y Sintesis, caracterizacion y evaluacion de catalizadores.evaluacion de catalizadores.
Cinetica catalitica.Cinetica catalitica. Diseño y optimizacion de Diseño y optimizacion de catalizadores.catalizadores. •Desarrollo de procesos.
•Quimica Computacional.
Produccion y purificacion Produccion y purificacion de hidrogeno a partir de de hidrogeno a partir de biomasa (etanol, glicerol, biomasa (etanol, glicerol, algas)algas)
Planta piloto de produccion de hidrogeno a partir de alcoholes + una celda de combustible PEM de 2,5
kW.
INVESTIGADORES SENIORDra. Norma AMADEO (*)Ing. Graciela BARONETTI (*)Dra. Beatriz IRIGOYENDr. Miguel LABORDE (*)Dr. Fernando MARIÑO (*)INVESTIGADORES JUNIORDr. Pablo GIUNTA (*)Dr. Federico NORES PONDAL (*)Dra.Maria Laura DIEUZEIDE (*)TECNICOTco. Roberto TEJEDA (*)
DoctorandosIng. Cecilia GraschinskyIng. Eduardo Poggio (*)Ing.Adriana RomeroIng.Ignacio IglesiasIng. Delfina García Pintos
Estudiantes de Ing. Química
Dr. Matías Jobbagy (INQUIMAE)
Florencia ALIAGAMatías CATUEÑOSimón GUADAGNINIYanina NAHUNAbigail ROZENBLITNicolás ZITTANicolás FORTUNATO
EMPRESAS EXTRANJERAS
ABENGOA ESPAÑACOOPERSUCAR BRASIL
EMPRESAS NACIONALES
YPF ENARSA COOPERACION INTERNACIONAL
INSTITUTO NICOLA GIORDANO MESSINAUNIVERSIDAD DE MALAGAUNIVERSIDAD DE POITIERSUNIVERSIDAD DE LIMERICKUNIVERSIDAD DEL PAIS VASCOINTI RIO DE JANEIROUNIVERSIDAD FEDERAL DE RIO DE JANEIROUNIVERSIDAD CENTRAL DE LAS VILLASASTON UNIVERSITY BIRMINGHAMINSTITUTO CERTH GRECIA
DIBANET (Development of Integrated Biomass Approaches Network) FP7 Desarrollo de catalizadores para la producción de biocombustibles diesel miscibles (DBMS) a partir de residuos de Europa y America Latina.Danimarca, Grecia, Ungheria, Irlanda, Reino Unito, Brasil, Argentina e Cile
Que hacemos en el LPC Que hacemos en el LPC en Hidrógeno + PAE en Hidrógeno + PAE
PROYECTO DE AREA ESTRATEGICA PROYECTO DE AREA ESTRATEGICA PAEPAE
HIDROGENO, PRODUCCION, USOS, HIDROGENO, PRODUCCION, USOS, ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE
(CUATRO AÑOS) Inicio: octubre 2008-febrero 2009Inicio: octubre 2008-febrero 2009
AGENCIA NACIONAL DE PROMOCION CIENTIFICA Y TECNOLOGICA
Página web: Página web: redargentinah2.com.arredargentinah2.com.ar
HIDROGENO, PRODUCCION, USOS, ALMACENAMIENTO Y HIDROGENO, PRODUCCION, USOS, ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTTRANSPORTE (CUATRO AÑOS)
INSTITUCIONESINSTITUCIONES
CONICETCONICET
CNEACNEA
UBAUBA
GRUPOS DE I+D+IGRUPOS DE I+D+I
CAB (CNEA)CAB (CNEA)
CAC (CNEA)CAC (CNEA)
CINDECA (CONICET-UNLP)CINDECA (CONICET-UNLP)
CITEFACITEFA
INCAPE (CONICET-UNL)INCAPE (CONICET-UNL)
INGAR (CONICET-UTN)INGAR (CONICET-UTN)
INIFTA (CONICET-UNLP) INIFTA (CONICET-UNLP)
INTEQUI (CONICET-UNSL)INTEQUI (CONICET-UNSL)
LPC (FIUBA)LPC (FIUBA)
PLAPIQUI (CONICET-UNS)PLAPIQUI (CONICET-UNS)
EMPRESASEMPRESAS
ENARSAENARSA
EDENOREDENOR
CONUARCONUAR
OTORGADO
PME: 3.700.000 $
PID: 3.000.000 $
PICT: 3.000.000 $
PRH: 3.000.000 $
PRAMIN: 600.000 $
+ 120 PERSONAS, + 120 PERSONAS, ENTRE ENTRE INVESTIGADORES INVESTIGADORES Y BECARIOSY BECARIOS
10 PICT 10 PICT + 2 PID+ 2 PID
H2
Celda decombustible
H2O
Reformador Purificador H2
Almacenamiento
O2
H2
H2Combustible
Subproyecto 2
Subproyecto 4
Subproyecto 3Subproyecto 1
ESTRUCTURA TEMATICA
SANTA FE
BUENOS AIRES
LA PLATA
BAHIA BLANCA
SAN LUIS
BARILOCHE
Planta escala banco para producir electricidad a Planta escala banco para producir electricidad a partir de bioetanol (1 y 5 kW) (LPC + INGAR)partir de bioetanol (1 y 5 kW) (LPC + INGAR)
Synthesis Gas MCFC & SOFC PAFC
Ammonia
Methanol
2O or Air
PROX
CO < 10 ppm
Heat Supply
2HCO
2
2
4
COH OCH
Reformer Unit2 5
2
C H OHH O
PEFC
WGS ShiftCO < 2 %
PEM (Polymeric membrane FC) Mobile and stationary applications.Portable applications
SOFC (Solid oxide fuel cell)MCFC (Molten carbonate fuel cells) Stationary applications.
PAFC (Phosphoric acid fuel cell)Stationary applications.
Heat Supply
2
2
4
COH OCH
Reformador2 5
2
C H OHH O
Catalizador:
Metales: Ni, Co, Rh, Ru
Soportes: Al2O3, SiO2, La2O3, MgO
Ni/Al2O3; Ni/Mg/Al2O3
WGS Shift
CO2
H2O
CH4
H2
CO 10%
CO2
H2O
CH4
H2
CO 1%
Catalizador:
Comercial Cu/Zn/Ba/Al2O3
Cu/Ni/CeO2
PROXCO 1% CO
< 20 ppm
Catalizador:
Metales: Pt, Pd, Rh, Ru, Cu, Ni, Co
Soportes: Al2O3, CeO2, La2O3, SiO2
Cu/CeO2 /Al2O3
550-750º C
200-250º C
180-250º C
H2
CO
Planta escala bancoPlanta escala banco
Montar una planta piloto, a presión atmosférica, que produzca
H2 a partir de etanol, desarrollando la ingeniería del proceso
para utilizarlo en Celdas de Combustible tipo PEM de 1 kW de
potencia.
Corroborar los resultados experimentales a escala laboratorio,
evaluar la estabilidad de los catalizadores preparados en el LPC
y validar los modelos de reactores desarrollados por el INGAR.
Lograr los conocimientos tecnológicos necesarios para poder
patentar los catalizadores preparados, los reactores
desarrollados y la tecnología de producción de hidrógeno a partir
de bioetanol.
Montar un prototipo de 5 kW
CatalizadorCatalizador Ni/MgAl2O4
REFORMADOR
T = 650ºC; FvL = 11,9 ml/min; mcat= 15gT = 650ºC; FvL = 11,9 ml/min; mcat= 15g
REFORMADOR Y WGS
Efecto de la temperatura en el rendimiento de H2 Relación agua/etanol= 6.5; F0
v=11.9 ml/min (mezcla líquida); mcat=15g
El reformador y WGSR operaron en serie durante 400hs El reformador y WGSR operaron en serie durante 400hs de manera continua, mostrando una buena estabilidad del de manera continua, mostrando una buena estabilidad del catalizador de Ni empleado en el reformador.catalizador de Ni empleado en el reformador.
Estabilidad del catalizadorEstabilidad del catalizador
Parámetro de corte:Parámetro de corte:
Presión medida a la entrada del reactor.Presión medida a la entrada del reactor.
Presión de corte = 2,5 kgf/cmPresión de corte = 2,5 kgf/cm22
MUESTRA USADA DE CATALIZADOR DE NIQUEL MUESTRA USADA DE CATALIZADOR DE NIQUEL EN PLANTA PILOTOEN PLANTA PILOTO
Equipo: TEM TEM ITA, CNR, Mesina, Italia
COPROX
Se realizaron pruebas con el reactor de COPrOx alimentando una mezcla Se realizaron pruebas con el reactor de COPrOx alimentando una mezcla representativa de la salida del reactor de WGS. Se detectó una máxima representativa de la salida del reactor de WGS. Se detectó una máxima conversión de CO para una temperatura promedio de 164ºC.conversión de CO para una temperatura promedio de 164ºC.
Efecto de la temperatura en la conversión de CO y HEfecto de la temperatura en la conversión de CO y H22
FF00v v =0,23 Nm=0,23 Nm33/h (mezcla gaseosa); %H/h (mezcla gaseosa); %H22=65,2, %CO=2,6, %CH=65,2, %CO=2,6, %CH44=2,6, =2,6,
%CO%CO22=16,5, %O=16,5, %O22=2,7, %N=2,7, %N22=10,4; =10,4; mmcatcat=20g; =20g;
Conversión completa de CO Conversión completa de CO con selectividad superior al con selectividad superior al 75%. Muy buena estabilidad75%. Muy buena estabilidad
CuO/CeOCuO/CeO22 mala adhesión mala adhesión => necesidad de soportar => necesidad de soportar en alúmina para trabajar en alúmina para trabajar en escala pilotoen escala piloto
Dp [µm] = 297-500Dp [µm] = 297-500
Catalizador no soportado Catalizador no soportado – CuO/CeO– CuO/CeO22
COPROX. CATALIZADORES
M. Moreno, Tesis doctoral, FIUBA, 2011
CO + ½ O2 CO2CO + ½ O2 CO2H2 + ½ O2 H2H2 + ½ O2 H2
Catalizador Soportado – CuO/CeO2/Al2O3
Dp [mm] = 3Dp [mm] = 3
Se vuelven a obtener elevadas Se vuelven a obtener elevadas conversiones de CO con conversiones de CO con buenas selectividades buenas selectividades características del sistema características del sistema Cu/CeCu/Ce
H. Semeniuk,Tesis de grado FIUBA, 2011
Mejora del catalizador Soportado – Distribución tipo egg-shelll
Se mejora aún más la Se mejora aún más la selectividad hacia la selectividad hacia la oxidación de COoxidación de CO
egg-shelll
I. Iglesias, Tesis de grado FIUBA, 2013
Fuel Cell System (FCS) includes:Fuel Cell System (FCS) includes:-Reformer and purification reactors (WGS + COPROX)-Reformer and purification reactors (WGS + COPROX)-PEM fuel-cell-PEM fuel-cellEquipments related to heat transfer and handle of water and airEquipments related to heat transfer and handle of water and air-Pumps, blowers-Pumps, blowers
Energy Integration of the Reforming Energy Integration of the Reforming Process of Ethanol with PEM Fuel CellProcess of Ethanol with PEM Fuel Cell
WGS I WGS II CO-Prox
CompressorIICompressorI
Expander
SR
Burner
PEM
Cath
ode
Ano
de
Air
CondensationSeparator
Ethanol
Water
Vaporizer WGS I WGS II CO-Prox
CompressorIICompressorI
Expander
NET EFFICIENCY OF THE INTEGRATED SYSTEM (η)
( )elecFC add
fuel fuel fuel
PLHV f f
η =+
3.0
3.5
4.0
4.55.0
5.56.0
6.5
550600
650700
750800
850900
0.225
0.250
0.275
0.300
0.325
0.350
0.375
0.400
R e fo rm ing T em p era tu re
Ne
t Ef fi
c ie
ncy
(L
HV
)
Wa t
er/E
than
o l M
o la r
Ra t
io
Low Heat Power
Ethanol as raw material
Ethanol as fuel
Net electrical power of the system
Optimal Reforming ConditionsTemperature: 704 °CWater/Ethanol Molar Ratio: 4Net Efficiency: 0.383Fuel Processor Efficiency: 1.094
PEMFC Cell T: 80°CFuel Utilization : 80%Oxidant Utilization: 50%Oxidant: Air (80% wet )
System Pressure: 3 atm
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5550
600
650
700
750
800
850
900
Additional Firing Zone
Net Efficiency (LHV)
Water/Ethanol Molar Ratio
Ref
orm
ing
Tem
pera
ture
[C]
0.14200.17210.20230.23240.26250.32280.35290.36790.37550.37920.38110.38210.3830
Self-sufficient Zone
The Self-sufficient limit
Catalys
t is t
he key
PROXIMA ETAPAPROXIMA ETAPA
PROTOTIPO DE 5 KW CON QUEMADORES DE ALCOHOLPROTOTIPO DE 5 KW CON QUEMADORES DE ALCOHOL
PID CON ENARSAPID CON ENARSA
INGAR – LPC – HYTRON (CAMPINAS)INGAR – LPC – HYTRON (CAMPINAS)
MONTO: 1.400.000$ (¿?)MONTO: 1.400.000$ (¿?)
Hidrógeno como materia primaHidrógeno como materia prima
Hidrógeno como materia prima de Hidrógeno como materia prima de productos químicosproductos químicos
Síntesis de amoníaco
RefineríasIndustria alimenticia
Obtención de peróxido de hidrógenoIndustrias:
farmacéutica de la química fina electrónica
Gas de síntesis
H2 + CO (CO2)
Industrias Químicas y PetroquímicaMetanol, isocianatos, ácido acético, acetatos
Industria del vidrio
Industria Siderúrgica. Hierro esponja
72%
9%8%3% 8% Química y Petroquímica
Electrónica
Metalúrgica
Aeroespacial
Otras
Consumo de Hidrógeno. Distribución según el tipo de Consumo de Hidrógeno. Distribución según el tipo de aplicaciónaplicación
50%
37%
8% 5%
AmoníacoRefineríasMetanolOtras
FERTILIZANTESFERTILIZANTES
Producción Mundial de Hidrógeno
Distribución por Fuente de Energía Primaria
4%
48%30%
18%ElectrólisisGas NaturalPetróleoCarbón
El 95% de la producción de H2 es “cautiva”, es decir, consumida en el mismo sitio de su producción.
Producción de hidrógeno en ArgentinaProducción de hidrógeno en ArgentinaEmpresaEmpresa LocalizaciónLocalización Producto finalProducto final Capacidad Capacidad
(t/a)(t/a)Produccion H2 Produccion H2 (m3/h)(m3/h)
Profértil Profértil Bahía BlancaBahía Blanca Amoníaco, Amoníaco, ureaurea
720.000720.000 186.000186.000
PASA S.A.PASA S.A. CampanaCampana Amoníaco, Amoníaco, ureaurea
115000115000 1.1451.145
Fábrica militarFábrica militar Río TerceroRío Tercero AmoníacoAmoníaco 1200012000 122122
YPF S.A.YPF S.A. EnsenadaEnsenada MetanolMetanol 2500025000 3.6003.600
YPF S.A.YPF S.A. Plaza HuinculPlaza Huincul MetanolMetanol 400000400000 57.50057.500
Resinfor Resinfor Metanol S.A.Metanol S.A.
Gral San Gral San MartínMartín
MetanolMetanol 5000050000 7.1907.190
YPF S.A.YPF S.A. Luján de Luján de CuyoCuyo
JPJP 19.70019.700 25.00025.000
SidercaSiderca CampanaCampana Hierro Hierro esponjaesponja
70.20070.200
SiderarSiderar San NicolásSan Nicolás Hierro Hierro esponjaesponja
Air LiquideAir Liquide CampanaCampana Desulf. Desulf. combustiblescombustibles
11.50011.500 14.50014.500
AGAAGA Buenos AiresBuenos Aires Gases Gases especialesespeciales
200200
VASAVASA Buenos AiresBuenos Aires Vidrio planoVidrio plano 160160 200200
CO puro
Acido acéticoIsocianatosMetanol
Oxo-alcoholesCombustible sintético
H2
CO CO2
Gas de Síntesis
Nafta
Fuel oil
Residuos de
destilación
Asfaltos
Carbón
Biomasa
Oxidación parcial
O2
Metano
LPG
Nafta
Reformado con vapor
Vapor
H2 puro
Shift conversion
(WGS)
VaporCO2
Amoníaco
Reformado secundario
Aire (N2)
A PARTIR DE HIDROCARBUROS
Metanador
En Argentina, el H2 es producido casi exclusivamente por reformado de GN con vapor
H2
Electrólisis del aguaElectrólisis del agua
Tecnología probada y bien conocida.Tecnología probada y bien conocida.
HH22 libre de óxidos de carbono. libre de óxidos de carbono.
Costo de producción depende fuertemente Costo de producción depende fuertemente del costo de la electricidad.del costo de la electricidad.
Los electrodos son de metales nobles. Los electrodos son de metales nobles. Opción: disminuir o eliminar su uso.Opción: disminuir o eliminar su uso.
Hidrógeno como combustibleHidrógeno como combustible
Para las fuentes estacionarias:
Desde el punto de vista técnico, las energías renovables están en condiciones de sustituir a las energías de origen fósil.
Y a largo plazo, energía solar térmica
Para las fuentes móviles:Para las fuentes móviles:
Solo tenemos al biodiesel y al bioetanol. Solo tenemos al biodiesel y al bioetanol.
El problema no está resuelto.El problema no está resuelto.
A largo plazo el hidrógenoA largo plazo el hidrógenoD. Abbott. Proceedings of the IEEE | Vol. 98, No. 1, January 2010
GNC H2
NAFTA ETANOL
DIESEL OIL BIODIESEL
FUEL OIL BIOOIL
Evolución prevista de los combustibles Evolución prevista de los combustibles fósilesfósiles
Petróleo. Petróleo. Producción alcanzará su pico en esta Producción alcanzará su pico en esta década (Multicyclic Hubbert method) pero será década (Multicyclic Hubbert method) pero será dramáticamente baja dentro de 40 a 50 años.dramáticamente baja dentro de 40 a 50 años.
• Gas NaturalGas Natural. Reservas hasta 60 años.• Carbón. Reservas hasta 130 años.
Son materias primas claves para la industria química y para productos de consumo masivo
Cuales son las opciones?Cuales son las opciones?No-renovable/No-fosilNo-renovable/No-fosil Energía Nuclear (fisión y fusión)Energía Nuclear (fisión y fusión)
Máxima potenciaMáxima potencia Conflicto con los Conflicto con los
alimentos (?)alimentos (?) DesconocidaDesconocida 7 TW7 TW 100 TW100 TW 72 TW72 TW 44 TW44 TW 7650 TW7650 TW
RenovableRenovable• Biocombustibles: etanol & biodiesel.Biocombustibles: etanol & biodiesel.• Biomasa• Energía hidroeléctrica• Energía térmica oceánica• Energía eólica• Energía geotérmica• Energía solar
Consumo total de potencia en todas las formas en el mundo: Consumo total de potencia en todas las formas en el mundo: 15 TW (2008)15 TW (2008) Abbott, D. , Proc. IEEE, 98, 1, January 2010Abbott, D. , Proc. IEEE, 98, 1, January 2010
Una visión diferente *Una visión diferente *
El concepto de “diversificación” está mundialmente El concepto de “diversificación” está mundialmente aceptado. Esto es cierto a corto y mediano plazo.aceptado. Esto es cierto a corto y mediano plazo.
• Considerando una escala mundial y una perspectiva Considerando una escala mundial y una perspectiva a largo plazo, la pregunta es: Existe una única fuente a largo plazo, la pregunta es: Existe una única fuente renovable capaz de proveer por si sola los 15 TW que renovable capaz de proveer por si sola los 15 TW que el mundo necesita hoy? Respuesta: La energía solar el mundo necesita hoy? Respuesta: La energía solar térmica, pero a través de colectores térmicos térmica, pero a través de colectores térmicos solaressolares.
• Una economía solar-hidrógeno sería el objetivo final
* Abbott, D. , Proc. IEEE, 98, 1, January 2010.* Abbott, D. , Proc. IEEE, 98, 1, January 2010.
Hidrógeno como combustibleHidrógeno como combustibleVentajas Ventajas Reducción de GEI.Reducción de GEI. Disponible en todo el mundo.Disponible en todo el mundo. Reducción de contaminación local (factor clave en Reducción de contaminación local (factor clave en
grandes ciudades).grandes ciudades). Puede ser usado en MCI o en PC: esta última mas Puede ser usado en MCI o en PC: esta última mas
eficiente, menos ruidosa y no contaminante.eficiente, menos ruidosa y no contaminante.Desventajas Desventajas Baja densidad energética en base volumétricaBaja densidad energética en base volumétrica Su almacenamiento requiere altas presiones o Su almacenamiento requiere altas presiones o
licuefacción.licuefacción. No se encuentra libre en la naturaleza. Debe No se encuentra libre en la naturaleza. Debe
consumirse energía para obtenerloconsumirse energía para obtenerlo
Para alimentar una pila de 1 kW se necesita 1 m3/h de H2 (con menos de 20 ppm CO)
Para producir 1 m3/h de H2 se necesitan 0,52 litros de etanol
Para producir 0,52 litros de etanol se necesitan
0,01 Ton de Caña de Azúcar
0,05 bushel de maíz
Para cosechar 0,01 Ton de Caña de Azúcar se deben ocupar 0,00007 Ha = 0,7 m0,00007 Ha = 0,7 m22
Para cosechar 0,05 bushel de maíz se deben ocupar 0,00015 Ha0,00015 Ha
Oportunidades en I + D.Oportunidades en I + D.
I + D EN HIDRÓGENO/ PILA DE COMBUSTIBLE ES I + D EN HIDRÓGENO/ PILA DE COMBUSTIBLE ES CONSIDERADA COMO UNA ACTIVIDAD A LARGO CONSIDERADA COMO UNA ACTIVIDAD A LARGO PLAZO, DE ALTO RIESGO Y DE ALTA PLAZO, DE ALTO RIESGO Y DE ALTA RECOMPENSA. RECOMPENSA.
SOSTIENE QUE ESTA ACTIVIDAD NO SOLO ES SOSTIENE QUE ESTA ACTIVIDAD NO SOLO ES APROPIADA, SINO TAMBIÉN QUE NO SE PODRIA APROPIADA, SINO TAMBIÉN QUE NO SE PODRIA LLEVAR A CABO SIN EL APOYO DEL GOBIERNO.LLEVAR A CABO SIN EL APOYO DEL GOBIERNO.
Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program Plan, 2012Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program Plan, 2012
BARRERASBARRERAS SOLUCIONESSOLUCIONES PROGRAMASPROGRAMAS
Costos altos de producción y suministro de hidrógeno.Sistemas de almacenamiento: más livianos, mas compactos y menos costosos Costos altos de fabricación de celdas de combustible. Durabilidad
I + D en sistemas y materiales
I + D en pilas de combustibleI + D en producción de hidrógenoI + D en combustiblesI + D en materiales
Datos del mundo real/ValidaciónDatos del mundo real/Validación DemostracionesDemostraciones Tecnologías de validaciónTecnologías de validación
Fabricación & proveedoresBase: altos costos iniciales, inadecuada producción y falta de proveedores
Implementar mercados de manera temprana
Transformación de mercados
Competencias laborales inadecuadas Capacitación Educación
BARRERASBARRERAS SOLUCIONESSOLUCIONES PROGRAMASPROGRAMAS
Desarrollar códigos y normas, prácticas y sistemas de seguridad
I + D en Seguridad para desarrollar sensores de hidrógeno, códigos, normas y prácticas de seguridad
Seguridad, códigos y estándares
Inversión en infraestructura Incentivos financieros y subvencionesIncentivos regulatorios y políticas
Análisis de Sistemas: Evaluar costos / beneficios de tecnologías, asegurando eficacia en los esfuerzos del Programa .Analizar costos / beneficios de los incentivos para estimular la inversión necesaria
Nuevas tecnologías para producir HNuevas tecnologías para producir H22
REFORMADO AUTOTERMICO
REFORMADO SECO
REFORMADO CON VAPOR MAS CAPTURA DE COCAPTURA DE CO22
PIROLISIS
HIDROCARBUROS COMO MATERIA PRIMA
ELECTROLIZADORES MAS EFICIENTES
BIOMASA
REFORMADOREFORMADODE ETANOL Y MTANOLDE ETANOL Y MTANOL
MICROORGANISMOS!!MICROORGANISMOS!!
CAMBIO DE ESCALA!!!CAMBIO DE ESCALA!!!
Producción de HProducción de H22 puro (CO < 20 ppm) puro (CO < 20 ppm) para PEM-FCpara PEM-FC
Procesos conocidosProcesos conocidos
• Reformado con vapor de gas natural, hidrocarburos o alcoholes.
• Gasificación de biomasa o carbón.
Purificación compleja y costosa (~35% del costo total del proceso)
AlternativaAlternativa
• Metodo para producir H2 puro en uno o dos pasos :
Reactor con paredes Reactor con paredes permeables al Hpermeables al H2 2
solamentesolamente(Reactor de membrana)(Reactor de membrana)
Producción y purificación de HProducción y purificación de H22 con < 20 con < 20 ppm COppm CO
ReformadoReformado con vaporcon vapor HH22
WGS WGS ConversiónConversión
de COde CO
GNGN
LPGLPG
NaftaNafta
PSA o PSA o MetanaciónMetanacióno COPROXo COPROX
El reformado con vapor de GN es hoy el proceso más El reformado con vapor de GN es hoy el proceso más empleado en el mundo para obtener Hempleado en el mundo para obtener H22..
H2
<20 ppm COC C SRSR WGSR
MMRR
permeado
CO2 retención
M M SRSR
permeado
GN
HC
Etanol
Glicerol
C C SRSR WGSRWGSR COProxCOProx H2
separation
Componentes de un reactor de membranaComponentes de un reactor de membrana
• Membrana Pd o aleaciones de Pd, < 10 µm espesor
(100% selectividad), durable, costo competitivo.
• Catalizador-No debe formar carbón -Debe operar a:
-T < 870K (M Reformador) [aleación de Pd].-T ~ 670 K (WGS M Reactor) [Pd puro].
molybdenum-oxo complex can catalytically generate gaseous hydrogen either from water at neutral pH or from sea water.
This work shows that high-valency metal-oxo species can be used to create reduction catalysts that are robust and functional in water, a concept that has broad implications for the design of ‘green’ and sustainable chemistry cycles.
Turnover rate of 2.4 mole of hydrogen/mole Turnover rate of 2.4 mole of hydrogen/mole of catalyst/secondof catalyst/second
Karunadasa HI, Chang CJ, Long JR. A molecular molybdenum-oxo catalyst for generating hydrogen from water. Nature 2010;464:1329e33
ELECTROLISISELECTROLISIS
BIOMASA
BIOLOGICO TERMOQUIMICO
DIGESTION DIGESTION ANAEROBICAANAEROBICA
FERMENTACIONFERMENTACION PROCESOS PROCESOS FOTOBIOLOGICOSFOTOBIOLOGICOS
GASIFICACION PIROLISIS
CH4 C2H5OH
H2/CO2
REFORMADO
WGS
PIROLISIS
H2/C
REFORMADOWGS
H2/CO2 H2/O2
H2/CO CH4/CO2
CH3OH/CO2
H2/CO2
WGS
SINTESIS
REFORMADOWGS
H2/CO2
BIO-OIL
SEVERA
H2/C
REFORMADOWGS
H2/CO2
Altas producciones 700.000 ton/aBajas producciones 1m3/h
I. Deicer, IJHE, 37(2012 )1954-1971
Oportunidades de I+D en producción, Oportunidades de I+D en producción, purificación y uso en PEM FC del Hpurificación y uso en PEM FC del H22
Catálisis y electro catálisisCatálisis y electro catálisisDesarrollo de catalizadores a base de metales no –nobles en:Desarrollo de catalizadores a base de metales no –nobles en: ElectrólisisElectrólisis En el reformado de hidrocarburos y alcoholesEn el reformado de hidrocarburos y alcoholes En los procesos catalíticos de purificación (COPROX y WGS)En los procesos catalíticos de purificación (COPROX y WGS) Catalizadores mas eficientes con menor contenido de MN, por Catalizadores mas eficientes con menor contenido de MN, por
ej. catalizadores “core-shell” en PEM FC.ej. catalizadores “core-shell” en PEM FC. Adsorbentes para captura de CO2, eficientes a temperaturas Adsorbentes para captura de CO2, eficientes a temperaturas
de 500ºCde 500ºC Catalizadores estructuradosCatalizadores estructurados
Oportunidades de I+D en producción, Oportunidades de I+D en producción, purificación y uso en PEM FC del Hpurificación y uso en PEM FC del H22
Ingeniería Química:Ingeniería Química: Integración energéticaIntegración energética
Desarrollo de nuevos reactores (estructurados, membrana, pared Desarrollo de nuevos reactores (estructurados, membrana, pared catalítica).catalítica).– Menor pérdida de carga.Menor pérdida de carga.– Resistencias difusionales mínimas.Resistencias difusionales mínimas.– Mejoran la transferencia de calor.Mejoran la transferencia de calor.– Mezclado rápidoMezclado rápido
Reactores Multifásicos : Reformado en fase acuosa.Reactores Multifásicos : Reformado en fase acuosa. Desarrollo de procesos de captura y confinamiento de CO2Desarrollo de procesos de captura y confinamiento de CO2
Oportunidades de I+D en ciencia de materialesOportunidades de I+D en ciencia de materiales
Membranas: Nuevos compuestos con menos Pd Membranas: Nuevos compuestos con menos Pd - Vida útil > 10,000 h.- Vida útil > 10,000 h.– Alta selectividad a HAlta selectividad a H22
– Altos flujos de permeación.Altos flujos de permeación. Nuevas membranas poliméricas para las pilas PEM Nuevas membranas poliméricas para las pilas PEM
(para trabajar a mayor temperatura)(para trabajar a mayor temperatura) Electrodos mas resistentes al COElectrodos mas resistentes al CO Desarrollo de materiales para el almacenamiento de Desarrollo de materiales para el almacenamiento de
HH2.2.
Membrane reformer (Demo) developed by Tokyo Gas Company together with Mitsubishi Heavy
Industries (40 Nm3/h)
catalystcatalyst
membrane module
city gas process steam
Pd-alloy membrane
VENTAJAS: Baja perdida de carga; baja resistencia a la transferencia de masa; alta transferencia de calor para los monolitos metálicos
DESVENTAJAS: Baja carga de catalizador; mayores costos, desarrollo incipiente
REACTORES ESTRUCTURADOS (MONOLITICOS)REACTORES ESTRUCTURADOS (MONOLITICOS)
CATALIZADORES MONOLITICOSCATALIZADORES MONOLITICOS
Situación actual del Situación actual del Hidrógeno en Argentina –Hidrógeno en Argentina –Ley de Hidrógeno.Ley de Hidrógeno.
LEY 26123
RÉGIMEN PARA EL DESARROLLO DE LA TECNOLOGÍA, PRODUCCIÓN, USO Y APLICACIONES DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE Y VECTOR DE ENERGÍA
CAPÍTULO IPolítica Nacional ARTÍCULO 1º.- Declárase de interés nacional el desarrollo de la tecnología, la producción, el uso y aplicaciones del hidrógeno como combustible y vector de energía. ARTÍCULO 2º.- La presente ley promueve la investigación, el desarrollo, la producción y el uso del hidrógeno como combustible y vector energético, generado mediante el uso de energía primaria y regula el aprovechamiento de su utilización en la matriz energética.
AUTORIDAD DE APLICACIÓN: SECRETARIA DE ENERGIA
PLAN NACIONAL DE HIDRÓGENOPLAN NACIONAL DE HIDRÓGENO
FONDO NACIONAL DEL HIDROGENO FONDO NACIONAL DEL HIDROGENO FONHIDROFONHIDRO
PROGRAMAS A PROGRAMAS A
CORTO (2020),CORTO (2020),
MEDIANO (2025) Y MEDIANO (2025) Y
LARGO PLAZO (2030)LARGO PLAZO (2030)
EJES ESTRATEGICOS FUNDAMENTALES
• El Plan debe contribuir al desarrollo de tecnología e industria El Plan debe contribuir al desarrollo de tecnología e industria nacional asociadas al Hidrógeno, a la integración industrial y nacional asociadas al Hidrógeno, a la integración industrial y energética con los países del MERCOSUR y a la implementación energética con los países del MERCOSUR y a la implementación comercial de dichas tecnologías en mercados nacionales e comercial de dichas tecnologías en mercados nacionales e internacionales, con énfasis en lograr la exportación de alto valor internacionales, con énfasis en lograr la exportación de alto valor agregado.agregado.
2) Debe recomendar la formación de RRHH y la creación de puestos 2) Debe recomendar la formación de RRHH y la creación de puestos de trabajo altamente capacitados.de trabajo altamente capacitados.
3) Debe generar y sostener una cultura de seguridad en la 3) Debe generar y sostener una cultura de seguridad en la manipulación del hidrógeno. manipulación del hidrógeno.
4) Debe priorizar objetivos de desarrollo social sustentable, con 4) Debe priorizar objetivos de desarrollo social sustentable, con énfasis en las zonas aisladas y postergadas de nuestro país y la énfasis en las zonas aisladas y postergadas de nuestro país y la producción de hidrógeno con recursos energéticos renovables y producción de hidrógeno con recursos energéticos renovables y procesos no contaminantes.procesos no contaminantes.
Fuente: Informe International Fuente: Informe International Energy Agency- 2012Energy Agency- 2012
Una economía del hidrógeno basada en recursos Una economía del hidrógeno basada en recursos energéticos renovables en nuestro país contribuirá a:energéticos renovables en nuestro país contribuirá a:
•Mitigar el problema del abastecimiento de la demanda Mitigar el problema del abastecimiento de la demanda futura de energíafutura de energía
•Disminuir significativamente los efectos locales de la Disminuir significativamente los efectos locales de la contaminación contaminación
•Desarrollar tecnología propia y los procesos Desarrollar tecnología propia y los procesos productivos asociados. productivos asociados.
Persiguiendo un objetivo:Persiguiendo un objetivo:
EL DESARROLLO TECNOLOGICO PROPIO..EL DESARROLLO TECNOLOGICO PROPIO..
Gracias por su atención