Clase 2: Métodos Tradicionales para Producir H2 Profesor: Danilo Jara Quinteros Curso: Especialización en Hidrógeno Verde – Módulo 1 Martes: 14:30-16:30 del 16/04 al 25/06 Universidad Adolfo Ibáñez 25-04-2024 Modulo 1: Gestion de Diseño de Hidrógeno Verde • Propiedades y características del hidrógeno • Métodos tradicionales para producir hidrógeno • Definición de hidrógeno verde y rol de Chile • Tipos, selección y dimensionamiento de electrolizadores • Implementación de una planta de hidrógeno verde • Almacenamiento y transmisión de hidrógeno • Usos del hidrógeno verde (combustible y materia prima) • Infraestructura de una planta de producción de hidrógeno verde Modulo 1: Programación Clase Fecha Tópico de la clase 1 16 de abril Propiedades y características del hidrógeno 2 23 de abril Métodos tradicionales para producir hidrógeno 3 7 de mayo Definición de hidrógeno verde y rol de Chile 4 14 de mayo Tipos, selección y dimensionamiento de electrolizadores Evaluación Prueba 1 21 de mayo FERIADO 5 28 de mayo Tipos, selección y dimensionamiento de electrolizadores 6 4 de junio Implementación de una planta de hidrógeno verde 7 11 de junio Almacenamiento y transmisión de hidrógeno 8 18 de junio Usos del hidrógeno verde (combustible y materia prima) 9 25 de junio Infraestructura de una planta de producción de hidrógeno verde Prueba 2 Prueba 3 M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Economía del H2 PRODUCCIÓN TRANSFORMACIÓN TRANSPORTE USO FINAL INDUSTRIA Acero Combustibles fósiles Energía Renovable Industria Química SIN TRANSFORMACIÓN Refinería TRANSPORTE Barco Electrólisis Camión TRANSFORMACIÓN Captura sostenible de CO2 Combustibles sintéticos Tuberías Almacenaje Barco Aviación Autos Trenes Camiones Buses CALEFACCIÓN Amoniaco Verde IRENA (2020), Green Hydrogen: A guide to policy making, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi GENERACIÓN ENERGÍA M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Demanda anual mundial para H2 desde 1975-2018 DRI: Direct Reduced Ironmaking M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Demanda anual mundial actual 2020-2022 y escenario esperado NZE: Emisiones netas cero El uso del hidrógeno continúa creciendo, pero se mantiene concentrado en aplicaciones tradicionales M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Uso del hidrógeno actualmente 5% Hierro y acero 46% Metanol 14% Amoniaco 35% Refinería M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Consumo de Hidrógeno Mundial 2022, por País 22,9 China 11,3 Estados Unidos India 7,2 Rusia 6,4 EU-27 + Reino Unido 5,8 Irán 3,6 Arabia Saudita 3,4 Canadá 2,5 Japón 1,7 Trinidad & Tobago 1,5 Indonesia 1,5 Egipto 1,4 Corea del Sur 1,3 29% del H2 Es usado por China 15,7 Resto del mundo 0 5 10 15 20 Millones de toneladas métricas de hidrógeno 25 M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Mayores exportadores de H2 2.729 China Alemania 1.811 Estados Unidos 1.702 Malasia 802 Catar 687 Japón 674 Noruega 589 Brazil 444 Francia 389 Vietnam 388 0 Statista 2024 500 1000 1500 2000 2500 Exportaciones en millones de dólares estadounidense 3000 M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Producción de H2 Método Fuente de Energía Materia Prima Infraestructura M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Métodos usados actualmente para producir H2 SMR = Steam methane reforming CCS = Carbon Capture and Storage M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Elección de tecnología más apropiada La selección de la tecnología más apropiada dependerá de: ❑ Tipo de materia prima disponible ❑ Capacidad de producción de H2 requerida ❑ Costo de producir vapor, electricidad, etc. M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Materia prima utilizada 95Mt • 10 tCO2/tH2 desde gas natural, • 12 tCO2/tH2 de los productos petrolíferos • 19 tCO2/tH2 del carbón. En total, la producción de hidrógeno actual es responsable de 830 MtCO2/año Global Hydrogen Review 2023, IEA M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Fuente de energía utilizada actualmente FUENTE DE ENERGÍA China por sí sola representó el 90% del consumo mundial de carbón para la producción de hidrógeno Carbón 30% https://www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/hydrogen Metano 70% M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Reformado con Vapor (Steam Reforming, SR) ❑ Método más usado actualmente (71%) ❑ 95% del H2 de EEUU ❑ Produce emanaciones de gases de efecto invernadero (GEI) ❑ Hidrocarburos livianos como materia prima M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Composición del gas natural Rusia M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Mayores productores de gas natural por país, 2022 979 Estados Unidos 618 Rusia Irán 259 China 222 Canadá 185 Catar 178 Australia 153 Noreuega 123 Arabia Saudita 120 Argelia 98 0 200 400 600 800 1000 Producción en billones de metros cúbicos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Reformado de Metano con Vapor (SMR) ❑ Procesos en el cual gas natural, otros hidrocarburos, o gases ricos en metano como el biogas reaccionan con vapor de agua en presencia de un catalizador para producir hidrógeno y CO2 1) Reformado de metano con vapor (SMR) 𝐶𝐻4 + 𝐻2 𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ⇌ 𝐶𝑂 + 𝟑𝑯𝟐 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 Δ𝐻° = +206 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 Syngas: mezcla de CO + H2 denominado gas de síntesis 2) Reacción de desplazamiento agua-gas (WGSR) 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ⇌ 𝐶𝑂2 + 𝐻2 (𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 − 𝑔𝑎𝑠 𝑠ℎ𝑖𝑓𝑡) Δ𝐻° = −41 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 WGSR: conversión de CO con vapor de agua en CO2 e hidrógeno 𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍: 𝑪𝑯𝟒 + 𝟐𝑯𝟐 𝑶 ⟶ 𝑪𝑶𝟐 + 𝟒𝑯𝟐 Δ𝑯 > 𝟎 M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Proceso de Reformado de Metano con Vapor (SMR) 𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐 𝑶 ⇌ 𝑪𝑶 + 𝟑𝑯𝟐 Gas Natural Syngas Materia prima y combustible Reactores de desplazamiento de agua-gas 1000 °C Quemadores 350°C 40 bar 200°C 16-20 bar Catalizador Ni/Al2O3 Catalizador Catalizador Fe2O3-Cr2O3 Cu-ZnO-Al O Desulfurador 2 3 Vapor 𝑪𝑶 + 𝑯𝟐 𝑶 ⇌ 𝑪𝑶𝟐 + 𝑯𝟐 Pressure swing adsorption (PSA): Adsorción por oscilación de presión H2 M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Proceso de SMR simplificado HTWGSR: High-Temperature Water-Gas Shift Reactor Reactor de desplazamiento de agua-gas de alta temperatura LTWGSR: Low-Temperature Water-Gas Shift Reactor Reactor de desplazamiento de agua-gas de baja temperatura M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Proceso de reformado de metano con vapor (SMR) M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Quemadores Encendido lateral Encendido superior Encendido inferior Pared de terraza M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Oxidación Parcial (POX) ❑ Hidrocarburos se queman con una incompleta oxidación añadiendo oxígeno en una relación no-estequiométrica. ❑ Se pueden usar distintos tipos de combustibles como carbón y residuos del petróleo. CH4 + 0,5 O2 → CO + 2H2 ΔH298K= -35,7 kJ/mol Sin catalizador, 1200-1500 °C, 25-80 bar Con catalizador, 800-900 °C, 25-35 bar M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Diagrama de flujo del proceso POX Syngas Sin catalizador, 1200-1500 °C, 25-80 bar Con catalizador, 800-900 °C, 25-35 bar M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Gasificación de carbón (coal gasification, CG) ❑ Tecnología que produce gas de síntesis (syngas) a partir de carbón o biomasa principalmente. ❑ La gasificación implica la reacción a altas temperaturas (1200-1400 K) y presiones moderadas (5-10 bar) de la fuente de carbono con una fuente de hidrógeno, generalmente vapor y oxígeno. M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Formación de los distintos tipos de carbón M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Estructura probable de la materia carbonosa M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Gasificación de carbón (coal gasification, CG) MAF (moisture- and ash-free) Tipo de carbón O2/MAF carbón Sub-bituminoso 0,8-0,9 Bituminoso 0,85-1,05 Antracita 1-1,1 M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Reacciones químicas en la gasificación M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Diagrama de flujo del proceso CG H2 60-75% Este método provee alrededor de un 18 % de la producción mundial de hidrogeno (método usado en China). 19 tCO2/tH2 M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Diagrama de flujo del proceso CG M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Industrias de gran capacidad que utilizan gasificación M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Reformado Autotérmico (autothermal refoming, ATR) ❑ Combinación entre SMR y POX resultando en una reacción global con un cambio de entalpía cercano a cero. ❑ ATR aún no está comercialmente disponible a gran escala M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Reformado Autotérmico (autothermal refoming, ATR) H2 60-75% 900-1500°C 1-80 bar M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Reformado Autotérmico (autothermal refoming, ATR) M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Pirólisis de metano ❑ El método emergente de pirólisis de metano ha atraído considerable atención ya que usa 3-5 veces menos electricidad que la misma cantidad de hidrógeno producida por electrólisis del agua. CH4 (g) → 2H2 (g) + C (s) ΔH298K= 74,9 kJ/mol ❑ No hay emisiones de CO2 ❑ Especialmente útil en lugares donde el gas natural posee muy bajo costo y donde el almacenaje de CO2 es limitado ❑ Desventajas: baja eficiencia (50%), baja pureza de H2, obstrucciones de carbono M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Pirólisis de metano M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Clasificación del método de producción por colores M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Hidrógeno blanco M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Clasificación del método de producción por colores $1,00 – $1,75 por kg H2 $1,50 – $2.50 por kg H2 $1.60 – $4.00 por kg H2 M1-CLASE 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno ❑ Economía del H2 ❑ Producción de H2 ❑ Métodos para producir H2 ❑ Reformado de metano con vapor (SMR) ❑ Oxidación parcial (POX) ❑ Gasificación de carbón (CG) ❑ Reformado autotérmico (ATR) ❑ Métodos desarrollados, pero no comerciales ❑ Pirólisis de metano ❑ Electrólisis de H2O ❑ Clasificación por colores ❑ Comparación de métodos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Comparación de hornos M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Ejemplos de industrias de producción de H2 M1-Clase 2: Métodos tradicionales para producir hidrógeno Comparación de métodos vistos uai.corporate@uai.cl +56 (2) 2331 1135 Av. Presidente Errázuriz 3485, Las Condes Santiago – Chile www.uai.cl/corporate
