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Producción sostenible de gas de síntesis para aplicaciones energéticas: Una tecnología basada en bio-hidrógeno

Bernay Cifuentes12, Néstor Sánchez1, July Gómez1 y Martha Cobo1

1Grupo de investigación en Energía, Materiales y Ambiente (GEMA), Facultad de ingeniera, Universidad de La Sabana, Chía, Colombia2Grupo de investigación en Catálisis Ambiental, Departamento de Ingeniería Química, Facultad de ingeniería, Universidad de Antioquia UdeA, Medellín, Colombia

Universidad de La Sabana

2

Modelos productivos y energéticos

Pngtree


3

W Radio

www.obcipol.com planoinformativo.com

El 99% de los

químicos básicos se

producen en la

industria

petroquímica

Modelos productivos

El Colombiano


4

ArchDaily Colombia

El Heraldo

Eltiempo.com

El Colombiano

Los combustibles

fósiles e incluso las

hidroeléctricas

generan impactos

negativos sobre el

ambiente

Modelos energéticos


5

Biorefinerías

Labiotech

aptn.ca


6

Bioetanol como plataforma química para producir químicos y energía

www.tehrantimes.com


7

Bioetanol a energía

www.garbertoyota.com

x-engineer.org/www.kisspng.com

renewableenergyworld.com

www.pngimg.com

Gasolina

Bioetanol

Motores de combustión interna

Transporte Mezcla


8

Mezclas etanol – gasolina

Ventajas [1]

• Reduce el uso de combustibles fósiles

• Los vehículos no requieren modificaciones significativas para su uso

• Las mezclas etanol-gasolina se distribuyen en las estaciones de servicio tradicional

Limitaciones [2]

• El bioetanol requiere de procesos de purificación rigurosos

• La eficiencia de los motores de combustión son bajas (<40%).

• La contaminación no se reduce efectivamente con el uso de mezclas etanol-gasolina

[1] Nawar Al-Esawi, Mansour Al Qubeissi, Sergei S. Sazhin, Reece Whitaker; Int Commun Heat Mass, 98 (2017) 177 – 182.

[2] Paolo Iodice, Giuseppe Langella, Amedeo Amoresano; Appl. Therm. Eng., 130 (2018) 1081 – 1089.

co.pinterest.com


9

[3] Monica J.Valencia, Carlos A.Cardona; Energy Policy, 67 (2014) 232 - 242.

Bioetanol en Colombia

Fuente : www.fedebiocombustibles.com/

La mayor parte de bioetanol proviene de la industria del azúcar. Pero, el bioetanol se puede obtener de otras fuentes [4].

www.lifeder.com

www.lifeder.com

www.ingeniorisaralda.com


10

Producción de biomasa en Colombia

Aceite de palma2%

Caña de azúcar22%

Panela13%

Café7%Maíz

3%

Arroz9%

Banana 44%

177 Mton/año

• Agroindustria: 40.53%• Ganado: 59.38%• Residuos sólidos urbanos: 0.09%


11

Sector panelero Colombiano

Trapiche de Mogotes

(Santander)

Portafolio

Derematazo.com


12

Energía y químicos a partir de bioetanol

www.gas-sensing.com es.slideshare.net

x-engineer.org/www.kisspng.com

renewableenergyworld.com

www.pngimg.com

Gasolina

Bioetanol

Motor de combustión interna

Transporte Mezcla

Producción y purificación de gas de síntesis

www.garbertoyota.com

Celdas de combustible

Producción de químicos

𝐻𝐻2 + 𝐶𝐶𝐶𝐶


13

Beneficios de la tecnología del H2

La fuente de H2 impacta significativamente sobre el ciclo de vida de la tecnología en términos de energía y emisiones [1]

www.flaticon.com www.revistapym.com.cowww.greenclean.com.mx

No contamina Diversificación del mercado

Alta eficiencia> 60%

[4] Junye Wang, Hualin Wang, Yi Fan; Engineering, 4, 3 (2018) 352 - 360.

[5] Dong-Yeon; Journal of Power Sources; 393, 31 (2018) 217-229.


14

Producción de gas de síntesis a partir de bioetanol

Icon-Icons.com

keywordteam.net


15

Electricidad y calor a partir de biomasa: modelo basado en hidrógeno

[6] Bernay Cifuentes, Felipe Bustamante, Juan A. Conesa, Luis F. Córdoba, Martha Cobo; Int J Hydrogen Energy, 43, 36 (2018) 17216 – 17229.


16

Reformado de bioetanol

[7] Jordi Llorca, Vicente Cortés Corberán, Núria J. Divins, Raquel Olivera Fraile, Elena Taboada; Renewable Hydrogen Technologies (2013) 135 - 169.

Durante el reformado de bioetanol

ocurre una serie de reacciones que

alteran la composición del gas de

síntesis obtenido

𝐶𝐶𝐻𝐻3𝐶𝐶𝐻𝐻2𝐶𝐶𝐻𝐻 + 3𝐻𝐻2𝐶𝐶 → 2𝐶𝐶𝐶𝐶2 + 6𝐻𝐻2

𝐶𝐶𝐻𝐻3𝐶𝐶𝐻𝐻2𝐶𝐶𝐻𝐻 + 𝐻𝐻2𝐶𝐶 → 2𝐶𝐶𝐶𝐶 + 3𝐻𝐻2


17

Diseño del catalizador para la producción de gas de síntesis

Mol

de

H2/m

ol d

e E

tOH

Un catalizador en polvo de RhPt/CeO2-SiO2 es promisorio para producir un gas de síntesisrico en hidrógeno (70 % mol de H2).

[8] Bernay Cifuentes, María Hernández, Sonia Monsalve, Martha Cobo; Appl. Catal. A. 523 (2016) 283–293.

[9] Bernay Cifuentes, Manuel Figueredo, Martha Cobo; Catalysts 7 (2017) 15 - 35.

QN

ET/m

ol d

e E

tOH

(kJ/

mol

)


18

Reactores monolíticos

[9] Junjie Chen, Longfei Yan, Wenya Song, Deguang Xu; Int J Hydrogen Energy 43, 31 (2018) 14710 – 14728.

Beneficios [9]

• Reducir caídas de presión

• Disminuir tamaño y complejidad de equipos

• Dar soporte y estabilidad al reactor en polvo

• Facilitar la integración de la tecnología a diferentes aplicaciones

https://profesionaleshoy.es


19

Preparación del monolitos

Impregnación húmeda incipiente

Preparación catalizador de

RhPt/CeO2-SiO2

Preparación de lechada con el

catalizador

Molienda por 36 h

Recubrimiento del catalizador en las

paredes del monolito


20

Evaluación con bioetanol sintético

0

20

40

60

80

100

400 450 500 550 600 650 700

Con

vers

ión

de e

tano

l (%

)

T (°C)

Polvo

Lechada decatalizadorMonolitorecubierto

(a)

a) Actividad y b) rendimiento a hidrógeno en el reformado de bioetanol para la producción de gas de síntesis con catalizadores de RhPt/CeO2-SiO2

0

1

2

3

4

5

400 450 500 550 600 650 700

mol

de

H2/m

ol d

e Et

OH

T (ªC)

Polvo- B. sintéticoMonolito-B. sintéticoPolvo-B. RealMonolito - B. real


21

Estabilidad en la producción del gas de síntesis

H2

CO

CO2

CH40

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

mol

de

H2/m

ol d

e Et

OH

Tiempo (h)

H2

CO

CO2CH40

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50m

ol d

e H

2/mol

de

EtO

H

Tiempo (h)

Estabilidad en el reformado de bioetanol a) sintético y b) real para la producción de gas de síntesis con catalizadores de RhPt/CeO2-SiO2 . 700 °C

Bioetanol sintético Bioetanol obtenido de glucosa


22

Análisis SEM de los monolitos

El catalizador en polvo de RhPt/CeO2-SiO2 forma una película uniforme (14±3 µm de espesor) sobre las paredes del monolito, cual esta compuesta por granulos circulares de catalizador (<1,3 µm).

https://profesionaleshoy.es

Micrografías SEM de las paredes del monolito de cordierita recubierto con un catalizador de RhPt/CeO2-SiO2: a) paredes recubiertas y b) espesor recubrimiento

a) b)


23

Remoción de monóxido de carbono (CO)

[20] Antonio Tripodi, Matteo Compagnoni, Gianguido Ramis, Ilenia Rossetti; Int J Hydrogen Energy 42, 37 (2017) 23776 - 23783.

[5] Bernay Cifuentes, Felipe Bustamante, Juan A. Conesa, Luis F. Córdoba, Martha Cobo; Int J Hydrogen Energy, 43, 36 (2018) 17216 – 17229.

Proceso tradicional para remover CO [19] Nuevo enfoque en la remoción de CO [5]


24

Reformado (700 °C)

Balance promedio de carbón en el reformado= 98% ± 3

GHSV=63,500 h-1

Rh0.4Pt0.4/CeO2-SiO2 EtOH:H2O:Ar = 1:3:51

Integración de procesos

GHSV=64,300 h-1

AuCu/CeO2 60 – 300 °C O2/CO = 0.9 Nanoestructuras

de CeO2

[3] B. Cifuentes, M. Hernández, S. Monsalve, M. Cobo, Appl. Catal. A Gen. 523 (2016) 283–293.


25

Preparación de los catalizadores nano-estructurados para remoción de CO

Método hidrotermal

Preparación CeO2con nano forma

(poliedros, varillas y cubos)

Inclusión nano-partículas

de Au

Precipitación-deposición

Inclusión nano-partículas

de Cu

Impugnación húmeda

incipiente

AuCu/CeO2


26

b)a)

Actividad y selectividad en la remoción de CO

a) Actividad y b) consumo de hidrógeno en la remoción de CO de un gas de síntesis con catalizadores de AuCu/CeO2 nano-estructurado: P (poliedros), R (varillas), C (cubos) y B (blanco)


2727

Estabilidad en la remoción de CO

a)b)

a) Actividad y b) consumo de hidrógeno en la remoción de CO de un gas de síntesis con catalizadores de AuCu/CeO2 nano-estructurado: P (poliedros), R (varillas), C (cubos) y B (blanco)


2828

Micrografías HR-TEM de CeO2 con diferentes nanoestructuras (a) blanco, (b) poliedros, (c) varillas, y (d) cubos.

Diseño de catalizadores para la remoción de CO


29

Generación de gas de síntesis a partir de cachaza

Composición de un gas de síntesis producido a partir de bioetanol obtenido de cachaza. El proceso incluye un sistema integrado de reformado con vapor y eliminación de CO.

El prototipo a escala laboratorio permite obtener un gas de síntesis a partir de residuos agroindustriales. Este gas de síntesis podría usarse para la generación de energía en celdas de combustible.

Se espera a futuro validar la tecnología en un trapiche.


30

Conclusiones

La tecnología del hidrógeno es promisoria para la síntesis de productosquímicos y producción de energía en Colombia. Además, esta tecnologíapodría contribuir al aprovechamiento de la biomasa residual proveniente dela agroindustria

Los reactores monolitos recubiertos con un catalizador de RhPt/CeO2-SiO2 favorecen la producción continua de un gas de síntesis rico en H2 apartir de bioetanol obtenido de residuos agroindustriales

Catalizadores de AuCu/CeO2 con modificaciones en su nanoestructurapermiten remover efectivamente CO del gas de síntesis, disminuyendo el numero de equipos necesarios para llevar a cabo el proceso.


3131

Bernay CifuentesEstudiante de

doctorado

Eliana QuirogaEstudiante de maestría

Néstor Sánchez Estudiante de

doctorado

July Paola GómezEstudiante de maestría

Grupo de investigación

Martha CoboProfesora


Felipe BustamanteProfesor

Universidad de Antioquia

Laura Melisa ProañoEstudiante de maestría


3232

Cooperación


33

Casos exitosos de la tecnología del hidrógeno

www.elmundo.es


34

www.elmundo.es

Primer tren comercial alimentado con hidrógeno (Alemania).

www.greencarreports.com

Mas de 6500 vehículos de hidrógeno (USA y Japón).

150 hogares usan hidrógeno en la ciudad de Maebaru(Japón).

Aeroplanos pequeño y drones impulsados con hidrógeno (Europa).


3535

Agradecimientos

Agradecimientos a Colciencias y a la

Universidad de La Sabana por el apoyo

financiero a través del proyecto ING-163

(contrato 174-2016). Asimismo, B. Cifuentes

y N. Sánchez agradecen a Colciencias por la

beca para realizar doctorados nacionales a

través de la convocatoria 727-2015.


36

Gracias por su atención

¿Preguntas?

Directora del proyecto: [email protected]

pngimg.com

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