El ciclo S-I consta de tres reacciones químicas cuyo reactivo neto es el agua y cuyos productos netos son el hidrógeno y el oxígeno . Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso S-I requiere una fuente de calor eficiente.
Descripción del proceso
Las tres reacciones combinadas para producir hidrógeno son las siguientes:
Yo 2 + SO 2 + 2 H 2 O- calor→2 HI + H 2 SO 4 (120 °C (250 °F)) ( reacción de Bunsen )
Luego, el HI se separa mediante destilación o separación gravítica líquido/líquido.
2H2SO4 + calor→2SO2 + 2H2O + O2 (830 °C ( 1530 ° F ) )
El agua, el SO2 y el H2SO4 residual deben separarse del subproducto oxígeno mediante condensación.
2 Hola+ calor→ Yo 2 + H 2 (450 °C (840 °F))
El yodo y cualquier agua o SO2 que lo acompañe se separan por condensación y el producto de hidrógeno permanece como gas.
Sistema completamente cerrado sin subproductos ni efluentes (además de hidrógeno y oxígeno)
Adecuado para su aplicación con fuentes de calor solares, nucleares e híbridas (por ejemplo, solar-fósil), si se pueden alcanzar temperaturas suficientemente altas.
Más desarrollado que los procesos termoquímicos competidores
Escalable desde escalas relativamente pequeñas hasta aplicaciones enormes.
No necesita catalizadores ni aditivos costosos o tóxicos
Más eficiente que la electrólisis del agua (eficiencia de ~70-80 %) utilizando electricidad derivada de una planta de energía térmica (eficiencia de ~30-60 %) que se combina con una eficiencia de ~21-48 %
Se utilizan reactivos corrosivos como intermediarios (yodo, dióxido de azufre, ácido yodhídrico, ácido sulfúrico); por lo tanto, se necesitan materiales avanzados para la construcción de aparatos de proceso.
Se requiere un desarrollo adicional significativo para que sea factible a gran escala.
En el rango de temperatura propuesto, las plantas de energía térmica avanzadas pueden lograr eficiencias (producción eléctrica por entrada de calor) superiores al 50%, anulando en cierta medida la ventaja de eficiencia.
En caso de fuga se liberan al medio ambiente sustancias corrosivas y algo tóxicas, entre ellas yodo volátil y ácido yodhídrico.
Si se va a utilizar hidrógeno para generar calor en el proceso, las altas temperaturas requeridas hacen que los beneficios en comparación con el uso directo del calor sean cuestionables.
No se pueden utilizar fuentes de energía no térmicas o térmicas de bajo grado, como la energía hidroeléctrica, la energía eólica o la mayor parte de la energía geotérmica disponible actualmente.
Investigación
El ciclo S–I fue inventado en General Atomics en la década de 1970. [1]
La Agencia de Energía Atómica de Japón (JAEA) ha llevado a cabo experimentos exitosos con el ciclo S–I en el Reactor de Prueba de Alta Temperatura enfriado con helio , [2] [3] [4] [5] un reactor que alcanzó su primera criticidad en 1998, la JAEA tiene la aspiración de utilizar más reactores nucleares de muy alta temperatura de generación IV ( VHTR ) para producir cantidades de hidrógeno a escala industrial. (Los japoneses se refieren al ciclo como el ciclo IS). Se han hecho planes para probar sistemas automatizados a mayor escala para la producción de hidrógeno. En virtud de un acuerdo de la Iniciativa Internacional de Investigación de Energía Nuclear (INERI), la CEA francesa , General Atomics y los Laboratorios Nacionales Sandia están desarrollando conjuntamente el proceso de azufre-yodo. Se están llevando a cabo investigaciones adicionales en el Laboratorio Nacional de Idaho , en Canadá, Corea e Italia.
Desafío material
El ciclo S–I implica operaciones con productos químicos corrosivos a temperaturas de hasta aproximadamente 1000 °C (1830 °F). La selección de materiales con suficiente resistencia a la corrosión en las condiciones del proceso es de importancia clave para la viabilidad económica de este proceso. Los materiales sugeridos incluyen las siguientes clases: metales refractarios, metales reactivos, superaleaciones , cerámicas, polímeros y recubrimientos. [6] [7]
Algunos materiales sugeridos incluyen aleaciones de tantalio, aleaciones de niobio, metales nobles, aceros con alto contenido de silicio, [8] varias superaleaciones a base de níquel , mullita , carburo de silicio (SiC), vidrio, nitruro de silicio (Si 3 N 4 ), y otros. Investigaciones recientes sobre prototipos a escala sugieren que las nuevas tecnologías de superficies de tantalio pueden ser una forma técnica y económicamente viable de realizar instalaciones a mayor escala. [9]
Economía del hidrógeno
Se ha propuesto el ciclo de azufre y yodo como una forma de suministrar hidrógeno para una economía basada en el hidrógeno . No requiere hidrocarburos como los métodos actuales de reformado con vapor, pero sí requiere calor de combustión, reacciones nucleares o concentradores de calor solar.
^ Besenbruch, G. 1982. Proceso termoquímico general de descomposición atómica del agua con azufre y yodo. Actas de la American Chemical Society, Div. Pet. Chem., 27(1):48-53.
^ "Reactor de pruebas de ingeniería de alta temperatura HTTR". Httr.jaea.go.jp . Consultado el 23 de enero de 2014 .
^ https://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf. Progreso en energía nuclear
Calor nuclear para la producción de hidrógeno: acoplamiento de un reactor de temperatura muy alta/alta a una planta de producción de hidrógeno. 2009
^ Informe de situación 101 – Reactor de alta temperatura de turbina de gas (GTHTR300C)
^ VHTR DE JAEA PARA COGENERACIÓN DE HIDRÓGENO Y ELECTRICIDAD: GTHTR300C
^ Paul Pickard, Revisión del programa de hidrógeno del Departamento de Energía de 2005, Ciclo termoquímico del azufre y el yodo
^ Wonga, B.; Buckingham, RT; Brown, LC; Russ, BE; Besenbruch, GE; Kaiparambil, A.; Santhanakrishnan, R.; Roy, Ajit (2007). "Desarrollo de materiales de construcción en el proceso de división termoquímica de agua con azufre y yodo para la producción de hidrógeno". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 32 (4): 497–504. doi :10.1016/j.ijhydene.2006.06.058.
^ Ficha técnica de Saramet Archivado el 14 de febrero de 2006 en Wayback Machine.
^ T. Drake, BE Russ, L. Brown, G. Besenbruch, "Aplicaciones del tantalio para su uso en experimentos a gran escala con azufre y yodo", Reunión anual de otoño de AIChE 2007, 566a.
Referencias
Paul M. Mathias y Lloyd C. Brown "Termodinámica del ciclo azufre-yodo para la producción termoquímica de hidrógeno", presentado en la 68ª Reunión Anual de la Sociedad de Ingenieros Químicos, Japón, 23 de marzo de 2003. (PDF).
Atsuhiko TERADA; Jin IWATSUKI, Shuichi ISHIKURA, Hiroki NOGUCHI, Shinji KUBO, Hiroyuki OKUDA, Seiji KASAHARA, Nobuyuki TANAKA, Hiroyuki OTA, Kaoru ONUKI y Ryutaro HINO, "Desarrollo de tecnología de producción de hidrógeno mediante el plan de prueba piloto del proceso IS de división termoquímica de agua", Journal of Nuclear Ciencia y Tecnología, Vol.44, No.3, pág. 477–482 (2007). (PDF).
Enlaces externos
Hidrógeno: nuestro futuro hecho con energía nuclear (en el número 9 de MPR Profile )
Utilización del reactor modular de helio para la producción de hidrógeno ( Simposio de la Asociación Nuclear Mundial 2003)
