Diseño de un sistema para la producción integrada de hidrógeno y electricidad empleando etanol

Abstract

En el presente trabajo se diseña una Planta Química con el objetivo de obtener hidrógeno a partir del reformado de etanol, para la generación integrada de potencia y calor utilizando celdas combustibles de óxido sólido. Se deduce el esquema de reacciones y el modelo cinético del proceso reformativo utilizando hidróxido doble laminar de Ni(II)-Al(III) como precursor catalítico y ambos resultados se validan a escala piloto en una planta con 1m3NH2/h de capacidad. A través de un algoritmo de integración-optimización se realiza el diseño del reformador y se evalúan tanto parámetros constructivos como de operación. El sistema puede trabajar el reformado a 450<T (ºC) <700 ºC y 1 atm con acople directo a una pila combustible de óxido sólido en operación isobárica a 1 atm y 650 ºC. Aplicando la metodología PINCH se diseña la red de intercambio de calor para la operación en condiciones de auto sostenibilidad energética, la misma necesita de 6 intercambiadores de calor con un área total de 268 m2 y un costo total anualizado de 16681.28 $/a para cumplir los mínimos requerimientos de energía. La instalación proyectada muestra indicadores económicos similares a los calculados para otras tecnologías con carácter renovable (celdas solares fotovoltaicas) y exhibe beneficios económicos para un precio de venta del producto de 0.50$/kW siendo en estas condiciones el Valor Actual Neto = 634 346$ y la Tasa Interna de Retorno = 19.6%. Además se estudia el impacto económico de anexar el sistema a una destilería de alcohol cuya capacidad es de 1000 Hl/día y queda justificada la inversión cuando se disponen 250 Hl/día de etanol para la producción de 2.25 MW de potencia. Palabras Clave Pilas Combustibles, Reformador, Catalizadores, Modelación, Simulación

An ethanol conversion plant to produce hydrogen, power and heat using solid oxide fuel cells is designed in the present work. The reaction pathway and the kinetic model of the ethanol steam reforming process are deduced and validated in a 1m3H2/h Pilot Plant which uses Ni(II) – Al(III) layered double laminar hydroxide as catalyst precursor. The reactor design and evaluation are carried out by means of an optimization - integration algorithm which includes the variation in the operational and construction parameters. The designed reactor is able to work at 450<T (ºC) <700 ºC and 1 atm coupled online to a solid oxide fuel cell. The heat exchanger network is designed considering the energy auto-sustainability and using the PINCH methodology. Six heat exchangers with a total area of 268 m2 and a cost of 16681.28 $ per year are needed to fulfill the minimum energy targets in the process. The economic indexes of the projected plant are similar to those of a solar energy system (Photovoltaic) and a profit is obtained when the product is commercialized at 0.50$/kW being the Net Present Value 634 346$ and the Internal Return Rate 19.6%. On the other hand the installation of the system in an ethanol distillery with 1000 Hl/d of capacity is feasible from the economical only when 250Hl/d are used to produce 2.25 MW of power. Key Words Fuel cells, Reformer, Catalyst, Modeling, Simulation