La gasificación de biomasa mediante vapor y oxígeno es una tecnología ya madura para la extracción de hidrógeno, que requiere calor por encima de los 700 ° C.

Para generar el calor para la gasificación, tradicionalmente se quema parte de la propia biomasa. Pero esta combustión emite varios gases de efecto invernadero, que pueden ser bastante elevados, dependiendo del contenido de carbono e hidrógeno de la biomasa utilizada, ya sea de residuos animales y orgánicos, residuos sólidos municipales o los distintos tipos de residuos de cultivos agrícolas.

El experimento combinó el calor solar directo con la combustión de residuos de biomasa leñosa (partículas de madera de haya del tamaño de un milímetro) en un gasificador de biomasa de lecho de chorro (térmico) de 1,5 kW a escala de laboratorio.

El requerimiento de calor de este proceso de hidrógeno lo convierte en un gran candidato para la descarbonización con energía solar térmica. Por lo tanto, los investigadores están investigando una forma de reducir el uso de calor de la combustión de biomasa, sustituyendo el calor de la energía solar térmica concentrada (CST) debido a su capacidad demostrada para generar temperaturas de hasta 1500 ° C.

“En el proceso de gasificación convencional, alrededor del 30 al 40 por ciento de la biomasa se usa para proporcionar calor”, dijo Stéphane Abanades de la instalación de investigación solar francesa en CNRS-PROMES. “Entonces, nuestra idea central es desarrollar una configuración y un proceso solar para que la gasificación tenga una producción limpia de hidrógeno y gas de síntesis”.

CST enfoca el flujo solar reflejado por los espejos y el concentrador hasta un receptor o reactor solar. Este calor solar se puede utilizar en un proceso termoquímico para extraer hidrógeno incluso de gases o líquidos o sólidos carbonosos complejos como la biomasa residual.

Es por eso que se está investigando esta forma de hidrógeno solar; es una alternativa futura prometedora a la electrólisis impulsada por electricidad, que depende de agua extremadamente pura para producir hidrógeno. La biomasa residual es un recurso abundante que ha reciclado el dióxido de carbono de forma natural a través de la fotosíntesis, por lo que el proceso de gasificación impulsado por energía solar es una forma sostenible de convertir el dióxido de carbono capturado por la biomasa en combustibles neutros en carbono.

El desafío de gasificar biomasa utilizando calor de una fuente solar intermitente y variable es que, como ocurre con muchas reacciones termoquímicas, el proceso de gasificación debe ser continuo, de día y de noche. Para resolver esto, algunos investigadores en termoquímica solar han incluido el almacenamiento de energía térmica para proporcionar calor continuo durante todo el día para este tipo de aplicaciones de calor industrial y producción de hidrógeno solar.

Por qué los investigadores favorecieron un híbrido solar

En lugar de almacenamiento, lo que propuso el equipo de Abanades y ahora ha probado es un proceso híbrido.

“El almacenamiento debe ser compatible con temperaturas tan altas, que en realidad todavía no lo es”, explicó Abanades, autor de una gran cantidad de investigaciones sobre termoquímica solar. “Por eso, actualmente las soluciones de almacenamiento no están adaptadas para temperaturas tan altas. Estos procesos termoquímicos requieren una temperatura generalmente superior a 1000 ° C, por lo que ahora la investigación se dedica cada vez más a cómo desarrollar procesos continuos ”.

El equipo adaptó un reactor de biomasa de lecho vertido estándar de 1,5 kW (térmico) para aceptar fuentes de calor híbridas, de modo que transite sin problemas entre el calor solar (alotérmico) y el calor que proviene en parte de la combustión interna (alotérmico-autotérmico).

En su artículo publicado en Science Direct ; Evaluación experimental de la gasificación de biomasa leñosa en un reactor solar híbrido con modos de calentamiento directo e indirecto,  el equipo presenta sus resultados experimentales de gasificación continua de madera y demostró la eficacia de su diseño de reactor híbrido.

“Por ejemplo, cuando pasa una nube, disminuyendo la entrada de energía solar, demostramos que podemos mantener la temperatura interna gracias a la combustión parcial dentro del reactor. Entonces mostramos la viabilidad de la operación continua ”, dijo.

Energía solar para combustible superior al 27%

El equipo demostró una eficiencia de energía solar a combustible en este proceso de más del 27% a escala de laboratorio durante la operación al sol con alimentación continua de biomasa de madera. Esto es mucho más eficiente que otros procesos termoquímicos solares.

“Actualmente se han desarrollado diferentes procesos solares para la producción de combustible solar, como la división termoquímica del agua, donde la eficiencia de conversión de energía solar a combustible no excede actualmente quizás del cinco al diez por ciento”, dijo.

Este nivel de eficiencia es notable porque, por lo general, una demostración a escala de laboratorio como esta, con solo 1,5 kWth, en realidad muestra una menor eficiencia, porque hay más posibilidades de pérdidas térmicas en un volumen más pequeño.

“Entonces estos valores son muy prometedores para esta escala”, comentó Abanades. “Debido a estas eficiencias más altas, incluso a pequeña escala, la gasificación de biomasa es interesante. Y podemos mejorarlos aún más, porque cuando aumenta la escala de un reactor; automáticamente se mejora la eficiencia de energía solar a combustible porque se reducen las pérdidas térmicas «.

Los investigadores adaptaron el reactor de biomasa de lecho vertido para que pueda funcionar tanto con calor solar como derivado de la biomasa. Este tipo de reactor se cierra originalmente utilizando una cavidad para contener la biomasa que se convierte en un volumen restringido. Para que también pueda funcionar con calor solar, los investigadores diseñaron una forma de permitirle recibir directamente el flujo de calor enfocado al reflejar la luz solar con un campo solar de espejos y un concentrador.

La investigación determinó que enfocar el calor radiativo solar directamente en la biomasa alimentada continuamente dentro de la cavidad a través de una ventana de vidrio era mejor que el calentamiento indirecto a través de una pared intermedia de transferencia de calor. El calor directo mejoró los rendimientos de H2 y CO y mejoró la estabilidad de la producción de gas de síntesis de la que se extrae el hidrógeno. Pero el reactor también debe poder cerrarse por la noche para reducir las pérdidas de radiación cuando funciona en modo autotérmico. El trabajo de diseño del reactor continúa así, como se detalla en el documento.

El calor solar a 1300 ° C produjo un gas de síntesis limpio rico en hidrógeno

Una limitación con una prueba a escala de laboratorio es que debido a que su volumen es pequeño; el tiempo de residencia del gas en el interior es corto. Los investigadores compensaron esta limitación cinética operando la prueba a una temperatura más alta; aproximadamente 1300 ° C, para tener una buena conversión de los productos secundarios en gas de síntesis rico en hidrógeno.

Luego, esta temperatura más alta demostró tener ventajas tanto en el modo solar como en el híbrido, ya que la temperatura alta dio como resultado una mejor cinética de reacción que mejoró los rendimientos tanto de H2 como de CO, junto con menos CO2.

Aunque la gasificación de biomasa convencional ahora se ejecuta a menos de 1000 ° C, Abanades cree que estos resultados ventajosos sugieren que cuando esta gasificación de biomasa híbrida solar se amplía, aún debe ejecutarse a altas temperaturas entre 1200-1300 ° C.

“Las altas temperaturas son favorables para un alto rendimiento de gas de síntesis”, explicó. “Cuando bajas demasiado la temperatura, tienes productos secundarios que se forman por las reacciones, como los alquitranes. Pero queremos producir un gas de síntesis puro, compuesto de monóxido de carbono e hidrógeno ”.

Sus resultados mostraron una buena producción de hidrógeno en la escala de laboratorio de 1,5 kWth del gasificador de lecho de chorro adaptado, con un almacenamiento eficiente de energía solar en el gas de síntesis. Esto significa que el poder calorífico de los productos gaseosos es superior al contenido en la materia prima de biomasa, gracias al suministro de energía solar.

“Somos alrededor de 1,5 litros por minuto de hidrógeno producido para aproximadamente 1 gramo por minuto de biomasa alimentada en el reactor durante la operación alotérmica”, señaló. “Este es un buen resultado porque tenemos una utilización óptima de la materia prima; acercándose a la producción máxima alcanzable por la reacción dada su estequiometría «.

Para el siguiente paso, Abanades prevé más trabajo experimental para controlar el reactor automáticamente en tiempo real con un recurso de energía solar variable; por lo que este nuevo proceso de gasificación de biomasa híbrida solar puede adaptarse a las condiciones cambiantes día y noche en un proceso continuo automatizado.

Lecturas adicionales:

-Boujjat H., Rodat S., Abanades S., Evaluación tecnoeconómica de la gasificación de biomasa con vapor impulsada por energía solar para la producción de hidrógeno a gran escala , Procesos, 2021, 9 (3), 462. DOI: 10.3390 / pr9030462
-Boujjat H., Mitsuyoshi Yuki Junior G., Rodat S., Abanades S., Simulación dinámica y control de la gasificación de biomasa solar para la producción de gas de síntesis rico en hidrógeno durante la operación solar / autotérmica alotérmica e híbrida , International Journal of Hydrogen Energy, 2020 , 45 (48), 25827-25837. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2020.01.072
-Boujjat H., Rodat S., Chuayboon S., Abanades S.,Estudio numérico y experimental de un reactor de lecho de combustión / solar híbrido irradiado directamente para la gasificación de vapor continua de biomasa , energía, 2019, 189, 116118. DOI: 10.1016 / j.energy.2019.116118
-Chuayboon S., Abanades S., Rodat S ., Evaluación integral del rendimiento de un gasificador de biomasa continuo impulsado por energía solar , Tecnología de procesamiento de combustible, 2018, 182, 1–14. DOI: 10.1016 / j.fuproc.2018.10.016

Susan Kraemer, solarpaces.org