producción de hidrógeno a partir de biomasa

PRODUCCIN DE HIDRGENO A PARTIR DE

BIOMASA

PROYECTO DE ASIGNATURA:

SISTEMAS BASADOS EN EL HIDRGENO

2014-2015

__________________________________AUTOR__________________________________

DOUDOU YASSINE

_____________________________________________________________________________

MLAGA - JUNIO 2015

HITO II: Produccin de hidrgeno a partir de biomasa

Contenido 1. Introduccin .............................................................................................................................. 3

2. Anlisis de las publicaciones de investigacin .......................................................................... 5

2.1. Documentos por fuente (revista) y por ao. ...................................................................... 5

2.2. Documentos por autores ................................................................................................... 6

2.3. Documentos por pas. ........................................................................................................ 7

3. Tecnologas existentes para producir hidrgeno a partir de biomasa. ..................................... 8

3.1. Procesos biolgicos ............................................................................................................ 8

3.1.1. Biofotolisis directa ....................................................................................................... 9

3.1.2. Fermentacin oscura ................................................................................................. 10

3.1.3. Foto fermentacin ..................................................................................................... 11

3.2. Procesos termoqumicos .................................................................................................. 12

3.2.1. La pirlisis .................................................................................................................. 12

3.2.2. La gasificacin ........................................................................................................... 13

3.3. Desafos y necesidades en I + D ....................................................................................... 17

4. Gasificacin de la biomasa ...................................................................................................... 18

4.1. Tipo de biomasa ............................................................................................................... 19

4.2. Tamao de partcula ........................................................................................................ 19

4.3. Temperatura..................................................................................................................... 20

4.4. El uso de catalizadores ..................................................................................................... 21

4.5. Agente gasificante ............................................................................................................ 22

5. Conclusiones............................................................................................................................ 24

6. Referencias .............................................................................................................................. 25


1. Introduccin

La economa actual depende mucho del petrleo. Esto supone unas preocupaciones debido a

la limitacin de los recursos, la inestabilidad en los pases de origen, un gran impacto

ambiental y consideraciones de salud y seguridad.

En las ltimas dcadas, ha habido un creciente inters en la bsqueda de nuevas fuentes y

vectores de energa para asegurar las necesidades energticas y que podran reducir la

dependencia del petrleo.

El hidrgeno parece ser un buen candidato como vector energtico. Es un elemento

abundante y limpio, pero, ya que normalmente no se produce en grandes cantidades, tiene

que ser producido a partir de otras fuentes como por ejemplo, del metano contenido en el gas

natural mediante un proceso de reformado.

Las fuentes renovables de hidrgeno incluyen biomasa, solar, elica y nuclear. De ellos slo la

biomasa puede generar hidrgeno directamente. En el resto de las fuentes renovables se tiene

que realizar una electrlisis para la produccin de hidrgeno. Por otra parte, la biomasa es a

menudo abandonada en la naturaleza como tal. Por lo tanto, si la biomasa se utiliza para la

produccin de hidrgeno, no slo protege el medio ambiente, sino que tambin proporciona

una fuente sostenible para el hidrgeno. Los combustibles de biomasa y de sus derivados son

las fuentes de energa renovables que se pueden utilizar para producir hidrgeno de forma

sostenible.

Segn el estudio realizado por Balat [3] al cabo de cien aos, la gasificacin de biomasa ser

el mtodo ms usado despus del SMR para obtener hidrgeno.

Imagen 1. Mtodos dominantes para producir hidrgeno para el periodo 2000-2100.

Fuente: [3]

Ventajas de la biomasa:

Reduce la dependencia de los combustibles fsiles

Proporciona una fuente sostenible de energa

Reduce las emisiones de efecto invernadero


Incrementa el valor de la produccin agrcola

Reduce los residuos agrcolas y urbanos

Limitaciones:

Baja densidad energtica

Voluminosidad y alto contenido de humedad

Disponibilidad estacional

Formacin de carbn y alquitranes

Las fuentes energticas ms importantes de biomasa son la madera, residuos de madera,

cultivos energticos, aguas residuales urbanas, residuos agrarios (agrcolas, ganaderos y

forestales), cultivos acuticos y algas. [3]


2. Anlisis de las publicaciones de investigacin

Con el fin de tener una visin general de las publicaciones de investigacin se ha realizado un

anlisis de la misma.

Para ello se ha utilizado Scopus. Esta es una base de datos de referencias bibliogrficas y citas

de la empresa Elsevier.

Se ha realizado una bsqueda avanzada con los siguientes parmetros:

TITLE-ABS-KEY ( hydrogen production ) AND TITLE-ABS-KEY ( biomass )

AND PUBYEAR > 2007

Esta bsqueda nos arroj un resultado de 4091 artculos que se han examinado con la

herramienta de anlisis.

2.1. Documentos por fuente (revista) y por ao.

Imagen 2. Anlisis de los documentos por fuente

Fuente: Scopus.

En la imagen 2 podemos ver que destacan 2 revistas principales, ambas publicadas por

Elsevier.

1. Bioresource Technology

Subject Area: Chemical Engineering: Bioengineering

Environmental Science: Environmental Engineering

Environmental Science: Waste Management and Disposal


Publisher: Elsevier Limited

2. International Journal of Hydrogen Energy

Subject Area: Energy: Energy Engineering and Power Technology

Energy: Fuel Technology

Energy: Renewable Energy, Sustainability and the Environment

Physics and Astronomy: Condensed Matter Physics

Publisher: Elsevier Limited

2.2. Documentos por autores

Imagen 3. Anlisis de los documentos por autor

Fuente: Scopus.

Si realizamos un anlisis por autor destacan 2 principales:

1. Ren, Nanqi

Harbin Institute of Technology, State Key Laboratory of Urban Water Resource and

Environment, Harbin, China

2. Yusup, Suzana Bt

Universiti Teknologi Petronas, Biomass Processing Lab, Tronoh, Malaysia


2.3. Documentos por pas.

Imagen 4. Anlisis de los documentos por pas.

Fuente: Scopus.

Finalmente, si analizamos los documentos segn el pas de origen, encontramos que hay dos

pases pioneros en este tipo de publicaciones: Estados Unidos y China.


3. Tecnologas existentes para producir hidrgeno a partir de biomasa.

Existen pocos procesos disponibles para la produccin de hidrgeno a partir de biomasa. Estos

pueden dividirse en dos grupos principales [3], dependiendo del mecanismo de

transformacin: termoqumicos y biolgicos, tal como podemos observar en la imagen 5:

Imagen 5. Diferentes caminos para pasar de biomasa a hidrgeno.

Fuente: [7].

3.1. Procesos biolgicos

BHP (biological hydrogen production) es un rea nueva que utiliza microorganismos que

producen libremente y de manera eficiente H2 como un subproducto durante el metabolismo.

La energa solar o electrones contenidos en compuestos orgnicos o inorgnicos se pueden

convertir a H2. Los microbios producen H2 para dos propsitos principales. El primero es

disponer de un exceso de equivalentes reductores durante el metabolismo fermentativo. En

segundo lugar, H2 es un subproducto de la accin de la nitrogenasa, la enzima que es necesaria

para la fijacin de N2.[7]

Como se muestra en imagen 6, BHP se puede dividir en gran medida en procesos que

dependen de la energa lumnica y las que no [7]. En este apartado se explican tres de ellos,

biofotlisis directa, foto-fermentacin y fermentacin oscura.


Imagen 6. Clasificacin de los mtodos biolgicos de produccin de H2

Fuente: [7].

3.1.1. Biofotolisis directa

La biofotolisis consiste en la descomposicin del agua en hidrgeno y oxgeno

mediante la accin combinada de la luz solar y la capacidad fotosinttica de plantas

verdes, ciertas bacterias y algas azules.

La investigacin del proceso de biofotolisis ha conocido grandes progresos en la ltima

dcada, en cuanto a la caracterizacin bioqumica de las algas que son capaces de

hacerlo y las condiciones necesarias para que la produccin de hidrgeno ocurra, pero

falta un largo camino que recorrer para la obtencin del alga superproductora y diseo

de los adecuados fotobioreactores que permitan alcanzar la realizacin de un proceso

tecnolgicamente prctico para que la produccin de hidrgeno a partir de luz, agua,

dixido de carbono y algas verdes, se convierta en la mayor fuente biolgica de

energa renovable, sin emisin de gases con efecto invernadero ni contaminacin

medio ambiental. [6]

La biofotolisis se basa en dos pasos:

1. Fotosntesis: + + +

2. Produccin de hidrgeno: + +


Imagen 7. Principio de la produccin de hidrgeno por biofotolisis

Fuente: Hydrogen production and storage [1]

Imagen 8. Representacin esquemtica de la produccin de hidrgeno por biofotolisis

y su uso en una pila de combustible.

Fuente: [2]

3.1.2. Fermentacin oscura

La fermentacin oscura utiliza bacterias anaerobias principalmente, aunque tambin

se utilizan algunas algas, sobre sustratos ricos en hidratos de carbono cultivadas en la

oscuridad. Para los procesos fermentativos, la biomasa utilizada debe ser

biodegradable, disponible en cantidades elevadas, de bajo coste, y tener un alto

contenido de hidratos de carbono. Azcares simples puros, que son fcilmente

biodegradable tales como la glucosa y la lactosa son preferibles, pero no estn

fcilmente disponibles en grandes cantidades y / o son relativamente caros.

Las vas de produccin dependen del tipo de bacterias usadas. Por va fermentativa

estndar tiene una produccin mxima terica de 4 moles de hidrgeno por mol de

glucosa. Actualmente procesos fermentativos producen 2.4 a 3.2 moles de hidrgeno

por mol de glucosa. Sin embargo, puede ser posible cambiar la va fermentativa


usando ingeniera molecular con el objetivo de aumentar mximo terico de

produccin de hidrgeno a 12 moles de hidrgeno por mol de glucosa. El gas

producido es una mezcla de hidrgeno, dixido de carbono, metano, monxido de

carbono y sulfuro de hidrgeno. Por lo tanto se requiere una etapa de separacin para

producir hidrgeno de alta pureza. [6]

Entre los parmetros de funcionamiento de la produccin fermentativa H2, el pH se

considera una variable clave que afecta a la hidrlisis del sustrato, la actividad de

hidrogenasa y las vas metablicas.[5]

En la imagen 9 se muestra la produccin de H2 acumulativa especfica. Se ha

encontrado que tanto la evolucin temporal de la produccin de biogs y el

rendimiento final estarn afectados por el pH operativo, mostrando claramente que el

control del pH adecuado es uno de los factores clave para la produccin de H2

significativa a alcanzar. [5]

Imagen 9. a) produccin acumulada especfica de H2; b) H2 contenido en biogs a diferencites

pH operativos.

Fuente: [5]

3.1.3. Foto fermentacin

La foto fermentacin es una conversin fermentativa de sustratos orgnicos por un grupo

diverso de bacterias fotosintticas que utilizan la luz del sol como energa para convertir

compuestos orgnicos en hidrgeno y CO2. Este proceso tiene lugar en condiciones anxicas o

anaerbicas y mediante el uso de bacterias fotosintticas y la luz solar como energa. Existen 4

principales bacterias que pueden llevar a cabo este tipo de proceso. [2]

En la imagen 10 podemos ver cmo las bacterias bacterias capturan energa solar para

producir ATP y electrones de alta energa. Luego la nitrogenasa de la bacteria combina ATP,

protones de hidrgeno disueltos en agua y electrones para generar hidrgeno. El organismo

es incapaz de obtener electrones del agua por lo que se requiere del uso de compuestos

orgnicos (cidos orgnicos) como sustratos. [2]


Imagen 10. Proceso de foto fermentacin mediante una bacteria fotosinttica.

Fuente: [2]

3.2. Procesos termoqumicos

3.2.1. La pirlisis

La pirlisis es un proceso de descomposicin trmica que tiene lugar en ausencia de oxgeno

para convertir la biomasa en carbn vegetal slido, lquido (bio-aceite), y gases a

temperaturas elevadas. Hay tres etapas para un proceso de pirlisis tpico. La primera etapa,

pre-pirlisis, se produce entre 120 y 200 C con una prdida de peso leve, cuando se llevan a

cabo algunos reordenamientos internos, tales como la rotura del enlace, la aparicin de

radicales libres, y la formacin de grupos carbonilo, con una correspondiente liberacin de

pequeas cantidades de H2O, CO y CO2. La segunda etapa es el proceso de pirlisis principal,

durante el cual se produce la descomposicin slida, acompaada por una prdida de peso

significativa de la biomasa alimentada inicialmente. La ltima etapa es la desvolatilizacin

continua de Char, causada por la escisin adicional de enlaces C-H y C-O. [13].

Imagen 11. Degradacin trmica una partcula slida de biomasa: Secado, pirlisis primaria y

pirlisis secundaria.

Fuente: [10]


Dependiendo de la temperatura de reaccin y tiempo de residencia, la pirlisis se puede dividir

en pirlisis rpida, intermedia, y lenta. En la tabla 3 enumeran las condiciones de reaccin y los

rendimientos de producto de varios procesos de pirlisis, en comparacin con el proceso de

gasificacin. Tpicamente, la pirlisis rpida tiene un tiempo de residencia extremadamente

corto ( 1 s); la temperatura de reaccin es de aproximadamente 100 C ms alta que la de

pirlisis lenta ( 500 C vs. 400 C). Tiempos de reaccin cortos combinados con una

temperatura elevada generalmente resulta en un mayor rendimiento de producto lquido. En

contraste, la pirlisis lenta con temperaturas de reaccin relativamente ms bajas y tiempos

de residencia ms largos producira cantidades similares de lquido, char slido, y productos de

gas. La combinacin de todos los factores mencionados anteriormente, se puede concluir que

con el fin de maximizar el rendimiento de carbn vegetal, bajas temperaturas y bajas

velocidades de calentamiento son necesarios. Si el lquido es el producto deseado, una

combinacin de temperatura moderada, el tiempo de residencia del gas corto, y la alta

velocidad de calentamiento es esencial.[13]

Imagen 12. Redimientos de producto tpicos (biomasa seca) de pirlisis comporados con los de

la gasificacin.

Fuente: [13]

3.2.2. La gasificacin

La gasificacin es la oxidacin parcial trmica, lo que resulta en una alta proporcin de

productos gaseosos (CO2, agua, monxido de carbono, hidrgeno e hidrocarburos gaseosos),

pequeas cantidades de char (producto slido), cenizas y compuestos condensables

(alquitranes y aceites).

Vapor, aire u oxgeno se suministra a la reaccin como agente oxidante. El gas producido

puede ser estandarizado por su calidad y es ms fcil y verstil de usar que la biomasa original

(por ejemplo puede ser utilizado para motores de gas y turbinas de gas de alimentacin o

como materia prima qumica para la produccin de combustibles lquidos). La gasificacin

aade valor bajo a materias primas mediante su conversin en combustibles y productos

comercializables.

La qumica de la gasificacin de biomasa es muy compleja (imagen 14). En trminos generales,

el proceso de gasificacin consta de las siguientes etapas [2]:


1. Secado. En esta etapa, se reduce el contenido de humedad de la biomasa.

Tpicamente, el contenido de humedad de la biomasa vara desde 5% a 35%. El secado

se produce a aproximadamente 100-200 C con una reduccin en el contenido de

humedad de la biomasa hasta unos valores inferiores al 5%.

2. Desvolatilizacin (pirlisis). Esta es esencialmente la descomposicin trmica de la

biomasa en ausencia de oxgeno o aire. En este proceso, se reduce la materia voltil en

la biomasa. Esto resulta en la liberacin de gases de hidrocarburos, debido a que la

biomasa se reduce a carbn slido. Los gases de hidrocarburos pueden condensar a

una temperatura suficientemente baja para generar alquitranes lquidos.

3. La oxidacin. En esta etapa se tiene lugar la reaccin entre la biomasa carbonizada

slida y el oxgeno en el aire, resultando en la formacin de CO2. El hidrgeno

presente en la biomasa tambin se oxida para generar agua. Una gran cantidad de

calor se libera con la oxidacin del carbono y el hidrgeno. Si el oxgeno est presente

en cantidades subestequiomtricas, se puede producir la oxidacin parcial de carbn,

lo que resulta en la generacin de monxido de carbono.

4. Reduccin. En ausencia (o presencia subestequiomtrica) de oxgeno, varias

reacciones de reduccin se producen en el rango de temperatura 800-1000C. Estas

reacciones son en su mayora endotrmicas. Las principales reacciones de esta

categora son los siguientes:

Imagen 13. procesos que tienen lugar en un gasificador: principalmente pirlisis del

combustible slido y reformado/gasificacin del producto gaseoso resultante y Char.

Fuente : [2]


Imagen 14. Ubicacin de cada reaccin en el gasificador a su temperatura correspondiente.

El diseo de reactores de gasificacin se ha investigado durante ms de un siglo, lo que ha

dado lugar a la disponibilidad de varios diseos para pequeas y grandes escalas. Se pueden

clasificar de varias maneras [12]:

Por el agente gasificante:

Gasificadores de aire

Gasificadores de oxgeno

Gasificadores de vapor de agua

Por la presin de trabajo:

Atmosfricos

Presurizados

Por el diseo del gasificador:

Lecho fijo (updraft, downdraft, cross-draft and open-core): El gasificador de lecho fijo

tiene un lecho de partculas de combustible slido a travs del cual los agentes

gasificantes y el gas, ya sea si se mueven hacia arriba (corriente ascendente), se

mueven hacia abajo (corriente descendente) o son introducidos desde un lado del

reactor y se liberan desde el otro lado en el mismo nivel horizontal (cross-proyecto). Es

el tipo ms simple de gasificador, por lo general consiste en un espacio cilndrico para

el combustible y los agentes gasificantes con una unidad de alimentacin de

combustible, una unidad de ceniza del desmontaje y una salida de gas. En el

gasificador de lecho fijo, el lecho de combustible se mueve lentamente por el reactor a

la vez que se produce la gasificacin. Los gasificadores de lecho fijo son fciles de

construir y generalmente operan con alta conversin de carbono, largo tiempo de

residencia, baja velocidad de gas y bajo contenido de cenizas de arrastre.


Imagen 15. a) downdraft, b) updraft c) cross-draft

Lecho fluidizado (burbujeante, circulante y de doble lecho): El agente gasificante se

sopla a travs de un lecho de partculas slidas a una velocidad suficiente para

mantener las partculas en un estado de suspensin.

Las partculas de combustible se introducen en la parte inferior del reactor, se mezclan

muy rpidamente con el material del lecho, y casi instantneamente se calientan

hasta la temperatura del lecho. Como resultado de este tratamiento, el combustible se

piroliza muy rpido, lo que resulta en una mezcla de componente con una cantidad

relativamente grande de materiales gaseosos. Otras reacciones de gasificacin y

conversin de alquitrn de se producen en la fase de gas. La gasificacin de doble

lecho utiliza dos reactores de lecho fluidizado. La biomasa entra en el primer reactor,

donde se gasifica con vapor de agua, y el carbn restante es transportado al segundo

reactor, donde se quema con aire para producir calor. El calor se transporta al reactor

de gasificacin por el material del lecho, normalmente arena. El gas de combustin y el

gas producto tienen dos salidas separadas.

Imagen 16. Gasificador de lecho fluidizado burbujeante(a) y circulante (b)


Con la revisin de los fabricantes de gasificadores en Europa, Estados Unidos y Canad

se identific 50 fabricantes que ofrecen plantas de gasificacin comerciales, de los

cuales 75% fueron de tipo corriente descendente de lecho fijo, 20% eran sistemas de

lecho fluidizado, 2,5% eran del tipo corriente ascendente, y 2,5% eran diseos varios.

3.3. Desafos y necesidades en I + D

Tabla1. Visin general de los retos y necesidades de investigacin para cada tipo de proceso

Procesos termoqumicos Procesos biolgicos

Desafos

Altos costes de reactores

Eficiencia

Impurezas del combustible

Captura y almacenamiento de CO2

Microorganismos eficientes para una produccin sostenible

Materiales de los reactores

Tecnologa a largo plazo

Necesidades en I + D

Desarrollo de separacin/purificacin eficiente y de bajo coste

Mejorar la tolerancia de catalizadores a impurezas

Desarrollar componentes ms eficientes y robustas para el sistema en conjunto

Reducir los costes de almacenamiento, preparacin y manipulacin de la biomasa

Desarrollar enfoques eficientes de captura y almacenamiento de CO2

Desarrollar formas econmicas de controlar la calidad del hidrgeno

Desarrollar gasificadores coalimentados por biomasa y carbn

Incrementar la cantidad de biomasa asequible

Desarrollar la funcionalidad de microorganismos para una produccin eficiente y sostenible

Identificar y caracterizar nuevos microorganismos

Desarrollar mtodos baratos para hacer crecer y mantener los microbios.

Desarrollar materiales de bajo coste y durables con propiedades especializadas para su uso en biorreactores.

Optimizar el sistema para la gestin variable de produccin y gestin de ciclos diurnos.

Diseo de procesos de fabricacin masiva a bajo costo

Beneficios clave

Proporciona combustible sinttico bajo costo, adems de hidrgeno.

Limpia y sostenible

Auto-suficiente

Tolerancia para diversas condiciones del agua.

Fuente: Overview of technology options, Hydrogen production [4]


4. Gasificacin de la biomasa

El proceso ms importante y ms utilizado actualmente para la produccin del hidrgeno a

partir de la biomasa es el de gasificacin. En el apartado anterior se ha ofrecido una visin

general del proceso. En este apartado se va a hacer un anlisis ms detallado.

Hay algunos parmetros que influyen en el rendimiento de hidrgeno generado durante la

gasificacin de biomasa [11]. Estos factores son el tipo de biomasa; el tamao de las

partculas de biomasa, la temperatura de operacin, la proporcin vapor/biomasa, la adicin

de catalizadores, etc. Los parmetros y sus efectos sobre el rendimiento de hidrgeno de la

gasificacin de biomasa se resumen en la Tabla 2.

Tabla 2.

Parmetro Descricpin Efecto Tipo de biomasa Diferentes tipos de residuos y

cultivos La composicin del gas producto depende mucho de la composicin biomsica.

Tamao de partcula Se refiere a las dimensiones de las partculas de biomasa que alimentan al gasificador

Influye en la transferencia de calor y masa que influye a su vez en el gas producto y su composicin.

Temperatura Temperatura de gasificacin que se da despus de la zona de pirolisis.

Bajas temperaturas favorecen la produccin de Char y metano. Las temperaturas ptima de produccin de hidrgeno con 800-900 C

Relacin vapor-biomasa (S/B)

Relacin masa de vapor/ masa de biomasa

Bajos S/B producen ms metano y Char. Altos S/B favorecen produccin de hidrgeno.

Presin del proceso La gasificacin ocurre a una presin constante en el reactor

El equilibrio qumico indica que la gasificacin es favorecida por bajas presiones y altas temperaturas.

Catalizadores Materiales en pequeas cantidades que se aaden al proceso para acelerar la velocidad de reaccin.

Favorecen la produccin de hidrgeno

Ralacin adsorbente/biomasa

Materiales en pequeas cantidades que se aaden para adsorber el CO2 producido durante el proceso

La eliminacin de CO2 incrementa la produccin de syngas.


4.1. Tipo de biomasa

Toda la biomasa est compuesta principalmente por celulosa, hemi-celulosa y lignina y su

composicin difiere de una a otra. Estos componentes tienen un papel importante en la

descomposicin de la biomasa. Generalmente, composiciones grandes de celulosa y lignina

favorecen una mejor produccin de syngas. As, la produccin de hidrgeno a partir de

biomasa se basa en la naturaleza intrnseca y el contenido de humedad. [11]

Muchas especies de biomasa se han probado hasta el momento para generar hidrgeno a

partir de biomasa mediante la gasificacin. Algunos de ellos son:

Serrn de pino, cscara de almendra, la cscara de caf, madera ceedar, aguas

residuales, los residuos de aceite de palma, residuos slidos urbanos, el papel, madera

de haya, paja de trigo, mazorca de maz, madera de abeto, residuos de t, algas,

residuos de madera, cscara de arroz..etc

4.2. Tamao de partcula

El efecto del tamao de partculas de biomasa en la produccin de hidrgeno es significativo.

Las partculas ms pequeas proporcionan mayor superficie por unidad de masa. Esta mayor

superficie mejora la transferencia de calor y masa entre las partculas. Debido a la efectiva

transferencia de calor, la eficacia de la reaccin de gasificacin (reaccin Boudouard, la

reaccin del gas de agua, reacciones de conversin de carbono) mejora significativamente. La

mejora de la eficacia de las reacciones de gasificacin con el tiempo conlleva consigo una

mejor en la produccin de H2 y CO, a costa de la disminucin del contenido en CO2. La

produccin de alquitrn y carbn tambin se reduce.

En la imagen 17 podemos ver cmo la produccin de hidrgeno aumenta y la de CO2

disminuye a medida que disminuye el tamao de partcula de biomasa. [8]

Imagen 17. Variacin de la composicin del syngas con el tamao de partcula.

Fuente: [8]


En esta otra imagen 18, podemos constatar lo mismo, la produccin de hidrgeno es mejor

para pequeas partculas. Se ha introducido tambin el factor de temperatura que se va

comentar a comentar a continuacin en el siguiente apartado. Se puede decir que la biomasa

en polvo es la mejor opcin.

Imagen 18. Variacin de la composicin del syngas con el tamao de partcula y temperatura.

Fuente: [8]

4.3. Temperatura

La temperatura es el factor ms influyente en la produccin de hidrgeno durante la

gasificacin de biomasa.

Generalmente, el aumento de la temperatura aumenta la velocidad de calentamiento entre las

partculas. Esto conduce a la destruccin efectiva de las partculas y conlleva reacciones de

gasificacin completas (combustin, Boudouard, la formacin de metano, conversin de CO, y

reacciones de reformado de metano). Como resultado se ha visto que el rendimiento de

produccin de syngas mejora con altos contenidos en H2 y metano. Adems el aumento

significativo de la temperatura descompone trmicamente las molculas de alquitrn en

productos ms gaseosos (ligeros). [11]

Tal como vimos en la imagen 18, le hecho de pasar de una temperatura de 600 C a

900C casi triplica la produccin de hidrgeno.


4.4. El uso de catalizadores

Hasta el da de hoy se hicieron muchos estudios para ver como vara la produccin de

hidrgeno con gasificascin de biomasa utlilizando distintos catalizadores.

Algunos de los catalizadores estudiados son dolomita; catalizadores a base de Ni,

metal alcalino, almina, silicato de almina, K2CO2, Na2CO3, K2CO3 y ZnCl2. El

catalizador facilita la transferencia de masa y calor entre partculas. Esto a su vez

mejora la eficiencia de las reacciones de gasificacin (combustin, Boudouard, la

formacin de metano, etc). El aumento de la eficiencia de las reacciones de

conversin de CO y el reformado de metano contribuyen en el la mejora de

produccin de hidrgeno y monxido de carbono. Los catalizadores no slo provocan

las reacciones de gasificacin pero tambin ayudan en la destruccin de alquitrn. La

destruccin de alquitrn tambin contribuye para la produccin de hidrgeno. Por lo

tanto el rendimiento de hidrgeno en general se mejora por medio de aumento de la

eficiencia de las reacciones de gasificacin y tambin por la destruccin de alquitrn.

[11]

Ni en sus estudio encontr de que la doloma, catalizadores basados en Ni y xidos

de metales alcalinos catalizadores son los mejores para las reacciones de gasificacin.

Balat [3] encontr que el uso del catalizador no afecta el rendimiento de gas, pero

controla firmemente la composicin del gas.

En algunos estudios se ha descubierto lo siguiente:

La doloma, catalizadores basados en Ni y xidos de metales alcalinos

catalizadores son los mejores para las reacciones de gasificacin.

El uso del catalizador no afecta el rendimiento de gas, pero controla

firmemente la composicin del gas.

En otro estudio se encontr que catalizadores de silicato alumino son ms

activos la gasificacin de carbn y que el silicato de nquel son adecuados para

hidrocarburos ms ligeros.

Los catalizadores se emplean en procesos de gasificacin para impulsar el

rendimiento y calidad del gas producido y tambin para destruir alquitrn.

Actualmente una amplia investigacin est en proceso para desarrollar un catalizador

altamente estable, eficiente, barato y altamente reactivo para la gasificacin de

biomasa para promover el rendimiento de hidrgeno. Sin embargo el desarrollo de un

catalizador ptimo es complicado, ya que implica la comprensin integral de la cintica

de gasificacin y mecanismos de reaccin.


4.5. Agente gasificante

Por ltimo se van a exponer los resultados cmo influye el uso de un gasificante o de

otro en la composicin del syngas. Este parmetro junto con la temperatura son los

ms importantes en el proceso de gasificacin.

En el estudio realizado por Pengmei et al. [9] se ha utilizado un gasificador tipo

corriente descendente (downdraft) para estudiar las caractersticas de la produccin de

hidrgeno a partir de gasificacin de biomasa. Aire y oxgeno-vapor se han utilizado

como agentes de gasificacin. Los resultados experimentales indican que en

comparacin con la gasificacin de biomasa con aire, la gasificacin de biomasa con

oxgeno-vapor mejora el rendimiento de produccin de hidrgeno. Dentro de los

intervalos de condiciones de funcionamiento examinados, la produccin mxima de

hidrgeno alcanza los 45,16 g H2 / kg de biomasa. Para la gasificacin de biomasa

con oxgeno-vapor de agua, el contenido de H2 y CO alcanza 63,27 -72,56%, mientras

que el contenido de H2 y CO llega a 52,19 - 63,31% para la gasificacin de biomasa

con aire.

Para el estudio en cuestin se ha utilizado el siguiente sistema (imagen 19):

Imagen 19. Esquema del sistema utilizado para realizar el estudio.

Fuente: [9]

En las tablas 3 y 4 se muestran las condiciones de operacin tpicas y los resultados

experimentales para gasificacin con aire y oxgeno-vapor de agua respectivamente.

Podemos observar que la temperatura de cuello (T3) aumenta con la velocidad de

alimentacin.

Para las condiciones de operacin dadas de gasificacin de biomasa con aire, los

rangos de produccin de hidrgeno oscilan entre 21.18 y 29.70 g/ Kg biomasa (en

base hmeda). Mientras que para la gasificacin de biomasa con oxgeno-vapor, los

rangos de produccin de hidrgeno oscilan entre 32.02 y 44.13 g/ Kg biomasa (en


base hmeda). Esto implica que en las mismas condiciones de operacin el uso de

oxgeno- vapor en vez de aire incrementa la produccin de hidrgeno en un 28% de

media.

Aunque la utilizacin de oxgeno- vapor mejora mucho la produccin de hidrgeno, sus

costes de operacin resultan muy altos debido a la necesidad de separar el oxgeno

del aire.

Tabla 3.

Tabla 4.


5. Conclusiones

Hoy en da, el hidrgeno se produce principalmente a partir de gas natural a travs de

reformado de metano con vapor, y aunque este proceso puede suponer una incursin

inicial en la economa del hidrgeno, representa slo una modesta reduccin en las

emisiones de vehculos en comparacin con las emisiones de los vehculos hbridos

actuales. Es evidente que no es muy sostenible. El hidrgeno producido a travs de

una gama de fuentes primarias de energa renovables, como la elica, la biomasa y la

energa solar es ideal para la sustitucin gradual de los combustibles fsiles. El uso de

la biomasa renovable como una materia prima importante para la produccin de

hidrgeno ha recibido una considerable atencin en los ltimos aos.

El hidrgeno puede ser generado a partir de biomasa, pero esta tecnologa necesita

urgentemente un mayor desarrollo. La produccin de hidrgeno a partir de biomasa

tiene importantes desafos. No hay demostraciones tecnolgicas completas. Se cree

que en el futuro la biomasa puede convertirse en una importante fuente sostenible de

hidrgeno [3]. Debido a sus mritos medioambientales, la proporcin de hidrgeno a

partir de biomasa en el mercado de los combustibles de automocin crecer

rpidamente en la prxima dcada.

La gasificacin de la biomasa ha sido identificado como un posible sistema para la

produccin de hidrgeno renovable, lo cual es beneficioso para explotar los recursos

de biomasa, para desarrollar una manera limpia altamente eficiente para la produccin

de hidrgeno a gran escala, y tiene una menor dependencia de fuentes de energa

fsiles inseguras. El reformado con vapor de gas natural y la gasificacin de la

biomasa se convertirn en las tecnologas dominantes a finales del siglo 21.

Por otra parte, los mtodos biolgicos tienen potencial como una alternativa a las

tecnologas renovables actuales, ya que una de las ventajas ms prometedoras que

ofrece son sus condiciones aceptables de operacin.


6. Referencias

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producción de hidrógeno a partir de biomasa

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