Descomposición catalítica del metano: análisis de reactores, catalizadores y condiciones experimentales

Abstract

[ES] La descarbonización del sector energético es un tema de vital importancia para prevenir un calentamiento global irreversible. Aunque las fuentes de energía renovables han sido el foco principal en las investigaciones para evitar la emisión de gases de efecto invernadero, ciertas limitaciones, como la intermitencia y el difícil almacenamiento, obstaculizan la posibilidad de utilizar directamente su energía. El hidrógeno, en cambio, tiene las siguientes ventajas, entre otras: es abundante en la naturaleza, tiene alto valor calorífico de combustión y alta densidad energética, es un vector energético para almacenamiento de energía y su combustión no genera gases contaminantes. Es por esa razón que el hidrógeno ha sido considerado como la opción más adecuada para reemplazar a los combustibles fósiles. Sin embargo, la producción de hidrógeno se ha limitado casi exclusivamente al reformado de hidrocarburos, que libera grandes cantidades de dióxido de carbono.

La descomposición catalítica de metano (CMD) consiste en quebrar la molécula de metano, produciendo hidrógeno libre de COx y carbono sólido a través de un proceso de deshidratación gradual. La reacción ha obtenido gran relevancia como nueva tecnología para producir hidrógeno de una forma respetuosa con el medio ambiente, ya que se obtiene el hidrógeno puro directamente sin considerar la separación del producto ni las emisiones de CO2. Además, su demanda total de energía y calor es mucho menor que otros procesos utilizados actualmente.

La descomposición del metano es una reacción endotérmica, lo que significa que requiere aporte de energía. Mientras que la cinética de la reacción no catalizada sólo es razonable a temperaturas superiores a 1300 ◦C, el uso de catalizadores permite operar a más baja temperatura, alrededor de 600ºC, por lo que la reacción es más rentable. Sin embargo, el proceso de CMD se enfrenta a un desafío que ha obstaculizado su industrialización: la desactivación de catalizadores causada por la deposición de carbono. Muchos son los estudios que se están realizando sobre catalizadores (metálicos y de carbono) y sobre estrategias de regeneración con el fin de encontrar soluciones para este problema.

En este trabajo, la conversión de metano y la vida útil y la estabilidad de catalizadores de diferente composición es analizada y comparada, prestando atención a la obstrucción de los sitios activos causada por el carbono. Se explica la termodinámica de la reacción, así como el mecanismo de reacción. Además, se discuten y contrastan los reactores más utilizados, principalmente los reactores de lecho fijo y fluidizados, y los efectos de las condiciones experimentales (temperatura, caudales y presión).

[EN] Decarbonization of the energy sector is a topic of vital importance to prevent irreversible global warming. Although renewable energy sources have been the main focus of research to avoid greenhouse gases emission, certain limitations, like intermittency and hard storability, hamper the possibility of directly using their energy. Hydrogen energy, in contrast, has the advantages of wide sources, high combustion calorific value, high energy density, easy storage and zero pollution, among others. It is for that reason that hydrogen has been considered as the most suitable option to replace fossil fuels. However, hydrogen production has been almost limited to the reforming of hydrocarbons, which release large amounts of carbon dioxide.

Catalytic methane decomposition (CMD) consists of cracking the methane molecule, producing COx-free hydrogen and solid carbon through a gradual dehydrogenation process. The reaction has gained a lot of attention as a new technology for environmentally friendly hydrogen production since pure hydrogen can be obtained directly without considering product separation and CO2 emissions. Moreover, its total energy and heat demand are much lower than other processes currently used.

Decomposition of methane is an endothermic reaction, which means that it requires an input of energy. While the uncatalyzed reaction kinetics is only reasonable at temperatures over 1300 ◦C, the use of catalysts allows low-temperature operations, around 600ºC, so the reaction becomes more cost-effective. However, the CMD process faces a challenge that have hindered its industrialization: deactivation of catalysts caused by carbon deposition. Many studies about catalysts (metal-based and carbon-based) and regeneration strategies are being performed in order to provide solutions for this problem.

In this bachelor thesis work, methane conversion and lifetime and stability of different composition catalysts are analysed and compared paying attention to carbon clogging. Thermodynamics of the reaction as well as reaction mechanism is explained. Also, the most used reactors, mainly fixed and fluidized bed reactors, and the effects of experimental conditions (temperature, space velocity, pressure) are discussed and contrasted.