Integración energética de un ciclo de producción y purificación de hidrógeno a partir de etanol para una celda de combustible tipo PEM

P. GIUNTA, C. MOSQUERA, M. LABORDE

Buenos Aires, Argentina

Congreso; III Congreso de la Industria Química y Petroquímica del Mercosur / XII Congreso Argentino de Petroquímica; 2005

Con el propósito de reducir las emisiones de los gases responsables del efecto invernadero, en particular el CO2, se están realizando grandes esfuerzos en todo el mundo con la intención de introducir en el mercado vehículos que utilicen hidrógeno como combustible y una celda de combustible en reemplazo de los motores de combustión interna convencionales. Las pilas de combustible de membrana polimérica (PEM) son adecuadas para fuentes móviles debido, entre otras razones, a que operan a temperaturas relativamente bajas (80 – 100 ºC). Como desventaja, operar a estas temperaturas facilita la adsorción de CO en el electrodo de platino de la pila, disminuyendo su eficiencia. Por esta razón, el hidrógeno que ingresa al ánodo debe tener una concentración de CO menor a 20 ppm.   El hidrógeno obtenido de la electrólisis tiene la ventaja de estar libre de CO. Sin embargo, para que el vehículo tenga suficiente autonomía y debido a su muy baja densidad energética en base volumétrica en relación a los combustibles fósiles, el hidrógeno debe ser almacenado en tanques a muy alta presión (60000 kPa) o, en forma líquida, a muy bajas temperaturas (- 253 ºC). Ambas alternativas son costosas, peligrosas y consumen energía. Por otra parte, si el hidrógeno es producido a partir de hidrocarburos o alcoholes por el proceso de reformado con vapor, es necesaria una purificación posterior con el objeto de reducir la concentración de CO a los niveles exigidos por la pila.   En nuestro diseño, este proceso de purificación consta de dos etapas: una, consistente de dos reactores WGS y otra denominada de oxidación selectiva o COPROX en la que la concentración de CO es disminuida por oxidación a menos de 20 ppm utilizando tres lechos adiabáticos en serie. Si bien el hidrógeno es actualmente producido por reformado con vapor de derivados del petróleo, en particular del gas natural, este procedimiento incrementa la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. La posibilidad de utilizar alcohol en lugar de gas natural se ha transformado en una alternativa promisoria y es objeto de una creciente atención a nivel mundial, debido especialmente a que un vehículo debería entonces contar con un tanque con alcohol en lugar de un tanque con hidrógeno .   El etanol presenta ventajas respecto al metanol en cuanto a seguridad de manipulación y almacenamiento debido a su casi nula toxicidad; además es una materia prima renovable ya que puede obtenerse de la caña de azúcar, maíz, etc. De modo que, la producción de hidrógeno a partir de bio-etanol tiene la ventaja de ser neutro en dióxido de carbono ya que el CO2 producido es consumido por la biomasa en crecimiento generando prácticamente un ciclo cerrado de carbono. En conclusión, entre los diferentes procesos y materias primas propuestos para la obtención de hidrógeno y su aplicación en pilas de combustible, el reformado de etanol con vapor es una de las alternativas más atractivas.