Producción sostenible de gas de síntesis para aplicaciones ... · Producción sostenible de gas...
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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
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Modelos productivos y energéticos
Pngtree
Universidad de La Sabana
3
W Radio
www.obcipol.com planoinformativo.com
El 99% de los
químicos básicos se
producen en la
industria
petroquímica
Modelos productivos
El Colombiano
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4
ArchDaily Colombia
El Heraldo
Eltiempo.com
El Colombiano
Los combustibles
fósiles e incluso las
hidroeléctricas
generan impactos
negativos sobre el
ambiente
Modelos energéticos
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5
Biorefinerías
Labiotech
aptn.ca
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6
Bioetanol como plataforma química para producir químicos y energía
www.tehrantimes.com
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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
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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.
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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
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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%
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Sector panelero Colombiano
Trapiche de Mogotes
(Santander)
Portafolio
Derematazo.com
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Energía y químicos a partir de bioetanol
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x-engineer.org/www.kisspng.com
renewableenergyworld.com
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Gasolina
Bioetanol
Motor de combustión interna
Transporte Mezcla
Producción y purificación de gas de síntesis
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Celdas de combustible
Producción de químicos
𝐻𝐻2 + 𝐶𝐶𝐶𝐶
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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]
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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.
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Producción de gas de síntesis a partir de bioetanol
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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.
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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
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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
)
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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
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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
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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
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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
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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).
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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)
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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]
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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.
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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
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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)
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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)
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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
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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.
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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.
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3131
Bernay CifuentesEstudiante de
doctorado
Eliana QuirogaEstudiante de maestría
Néstor Sánchez Estudiante de
doctorado
July Paola GómezEstudiante de maestría
Grupo de investigación
Martha CoboProfesora
Universidad de La Sabana
Felipe BustamanteProfesor
Universidad de Antioquia
Laura Melisa ProañoEstudiante de maestría
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3232
Cooperación
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33
Casos exitosos de la tecnología del hidrógeno
www.elmundo.es
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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).
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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.
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Gracias por su atención
¿Preguntas?
Directora del proyecto: [email protected]
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