Producción del hidrógeno mediante ciclos termoquímicos basados en compuestos de Na y Mn acoplados a energía solar de concentración

• Autores: Alicia Bayón Sandoval
• Directores de la Tesis: Juan M. Coronado (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2014
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Guillermo Calleja Pardo (presid.), Angel Javier Margugán Aguado (secret.), Rafael Moliner Alvarez (voc.), José González Aguilar (voc.), R.M. Navarro (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Química física
      • Termoquímica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• Resumen

  • La transición del modelo energético actual hacia un sistema de producción de energía sostenible debe realizarse con el propósito de reducir las emisiones de CO_2 y sus consecuencias sobre el medio ambiente. En este ámbito, el hidrógeno se postula como un vector energético capaz de hacer frente a las necesidades de almacenamiento y distribución de las fuentes de energía renovables para permitir su incorporación en el mercado actual. Del conjunto de sistemas de producción del combustible, los ciclos termoquímicos se formulan como una vía muy prometedora debido a su fácil integración en los sistemas solares de concentración y su elevado potencial de eficiencia. Entre los más de 200 procesos propuestos, solamente unas decenas de estos han sido estudiados intensivamente desde su descubrimiento en la década de los años 60. En esta ámbito, el ciclo termoquímico basado en MnO y NaOH ha despertado un gran interés a nivel internacional, a partir de 1999 cuando fue analizado por primera vez, debido a su eficiencia termodinámica relativamente elevada. A pesar de los grandes esfuerzos realizados para conseguir su pleno desarrollo, el ciclo MnO-NaOH sigue arrojando varias incertidumbres que necesitan ser resueltas para permitir acoplar este proceso de forma realista a la energía solar concentrada. La presente investigación se centra en la evaluación de este proceso termoquímico con el fin de determinar la influencia de propiedades físico-químicas y estructurales de los materiales involucrados en los rendimientos e las reacciones químicas implicadas. Después del estudio de este proceso, se observó que en la reacción de reducción existe una cierta influencia de la fase cristalina inicial, que determina la conversión final del producto. Por otro lado, se determinó que el tamaño del dominio cristalino por particular es el factor más influyente en la etapa de producción de hidrógeno, obteniéndose un rendimiento máximo de un 83% cuando es empleado un óxido de manganeso II preparado en atmósfera reductora con un 50% de hidrógeno (MnO-R). Finalmente, en la reacción de hidrólisis se apreció que la estructura cristalina del óxido mixto tenía un efecto significativo en la capacidad de extracción del sodio. En este sentido, la fase ¿ -NaMnO_2 es la más apropiada consiguiendo una capacidad de recuperación de un 84% de Na en la tercera etapa. Con el fin de paliar algunos inconvenientes asociados al proceso como son el deterioro de las propiedades físicoquímicas del MnO_2, obtenido después de la etapa de reducción, la corrosión del NaOH y la mejora de la extracción del Na en la tercera reacción del ciclo, se han planteado varios proceso alternativos. La primera opción se basa en la sustitución del MnO por Mn_3 O_4, el cual se produce a una temperatura menor que el anterior (850ºC) y por tanto los problemas de sinterización son más limitados en comparación con el óxido de manganeso II. De este estudio, se concluye que el sistema Mn_3 O_4-NaOH es más conveniente que el ciclo MnO-NaOH, atendiendo a la reactividad de los materiales y a las propiedades fisico- químicas del Mn_3 O_4 recuperado para ser empleado en un segundo ciclo. Una segunda propuesta se basa en reemplazar el NaOH por el Na_2 CO_3. La sustitución de la sosa por carbonato de sodio dio lugar a los ciclos MnO- Na_2 CO_3 y -Mn_3 O_4- Na_2 CO_3. En el primero de ellos se obtuvo nuevamente una relación directa entre el tamaño de dominio cristalino frente al rendimiento de producción de hidrógeno, consiguiéndose un rendimiento máximo de un 47% cuando era empleado el mismo material que en el ciclo MnO-NaOH (denominado MnO-R3 en este estudio). El empleo del Mn_3 O_4 supuso una obtención de un rendimiento de generación de hidrógeno de un 43%. Par ambos procesos los rendimientos obtenidos son muy inferiores si se comparan con los ciclos del NaOH (83% para MnO y 77% para el Mn_3 O_4. Debido a que el dióxido de carbono puede disolverse parcialmente en el agua empleada en esta reacción y consecuentemente disminuir el pH de la disolución, su uso conlleva a un aumento de la recuperación del sodio de un 10% con respecto al ciclo con NaOH. Realizado un análisis comparativo de todos los ciclos en cuestión, se concluye que en términos de rendimiento global, el sistema Mn_3 O_4-NaOH es el más conveniente con un valor de un 65% en un primer ciclo. Sin embargo y atendiendo a la ciclabilidad del sistema, el ciclo Mn_3 O_4- Na_2 CO_3 es el más adecuado ya que la recuperación del Na se produce en mayor medida, suponiendo una ventaja técnica considerable.