Reactor de la cámara única para la generación de hidrógeno a partir de residuos orgánicos

Resumen

En la actualidad, el sector energético sigue unas pautas marcadas fundamentalmente por el sistema económico-financiero, apoyando la generación y el uso de combustibles fósiles con graves consecuencias medioambientales y económicas. El objetivo principal de este trabajo de investigación es la búsqueda de una alternativa a los combustibles fósiles, como es el hidrógeno, respetuosa con el medioambiente, a un coste asequible. Con este objetivo, se propone un sistema electrolítico asistido por compuesto orgánico para la generación de hidrógeno, que opera a presión y temperatura ambiente. Se ha diseñado y desarrollado un reactor de cámara única para generar una corriente de gas combustible con hidrógeno de alta pureza y un innovador sistema de recirculación. El reactor de cámara única puede utilizarse en procesos de electrolisis de disoluciones alcalinas que contengan compuestos orgánicos, porque el oxígeno y otros gases generados (CO, CO2) están sujetos a reacciones con el carbono de los electrodos de grafito y del compuesto orgánico, desapareciendo prácticamente de la corriente de gases generados, donde el hidrógeno representa más del 98% en unas determinadas condiciones de operación. El compuesto orgánico utilizado es la glicerina, pues su valorización en el proceso de electro-oxidación, tanto de la fase gaseosa como líquida, la convierte en un excelente candidato, por la existencia de grandes excedentes de glicerina industrial resultantes de la producción de biodiesel. Se analiza el efecto que tienen sobre la producción de hidrógeno distintas variables, entre las que se encuentran las relativas a los materiales, geometría y catalizadores de electrodo, y a las concentraciones del agente alcalino y del compuesto orgánico, en la disolución acuosa, para determinar las condiciones óptimas de operación. La caracterización electroquímica del proceso de electrolisis se ha realizado mediante curvas de polarización y espectros de impedancia, utilizando también técnicas de cromatografía de gases para la fase gaseosa y cromatografía líquida (HPLC) y espectrometría de masas para la fase líquida. Se analiza también la reducción del contenido de materia orgánica, en base al valor de la demanda química de oxígeno (DQO), en diferentes momentos del proceso de electrolisis, para obtener una valorización más completa. Se propone un sistema de supervisión y control, basado en sensores, para la automatización de la optimización del proceso de electro-oxidación, en tiempo real. Finalmente, el conocimiento experto adquirido a lo largo de la experimentación, extraído de los múltiplesensayos (ejemplos), se modela mediante un sistema de razonamiento basado en un árbol de decisión, para determinar las acciones a realizar. Se desarrollan estrategias de control para optimizar tanto la generación de un alto volumen de hidrógeno con elevada pureza como la reducción de la materia orgánica de la disolución, a partir de la demanda química de oxígeno (DQO). La experimentación se ha realizado en el Laboratorio de Energías Renovables, Pilas de Combustible e Hidrógeno (LERH), en las instalaciones del Centro de Automática y Robótica (CAR-CSIC-UPM) en el campus de Arganda del Rey. Se concluye que tanto el proceso de electro-oxidación propuesto, como el reactor innovador diseñado, permiten generar hidrógeno de alta pureza con mínima presencia de otros gases no deseados (CO, CO2, O2, CH4), a un coste reducido en comparación con el de los sistemas electrolíticos convencionales. Por otro lado, en el proceso de electro-oxidación, se consigue una considerable reducción del contenido de materia orgánica en la fase líquida, de gran interés medioambiental y económico. La investigación que se presenta en esta Memoria de Tesis Doctoral, tiene un marcado carácter interdisciplinar, acorde con los retos actuales de la sociedad y la industria, potenciados tanto a nivel Nacional por el Programa Estatal de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad, como Europeo H2020. En ambos se plantea como uno de los Retos de la Sociedad “Energía Segura, Eficiente y Limpia”. La investigación se ha realizado en el marco de los siguientes proyectos de I+D+I:  Desarrollo de tecnología de bajo coste para la generación de hidrógeno en Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), Retos2015_MINECO_FEDER Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad, RTC-2015-3699-5. (2015-2017). Participantes: empresa ASTEISA (Grupo ORTIZ), CAR-CSIC-UPM.  Nuevos componentes y dispositivos para validación e integración de PEMFCs en un sistema de energía no contaminante (2014-2018). Plan Estatal I+D+I orientado a los Retos de la Sociedad, MINECO_ENE 2013_49111_C2_1_R. Participantes: CAR_CSIC_UPM, ICV_CSIC, INTA. .