El ciclo S-I consta de tres reacciones químicas cuyo reactivo neto es agua y cuyos productos netos son hidrógeno y oxígeno . Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso S – I requiere una fuente eficiente de calor.
Descripción del proceso
Las tres reacciones combinadas para producir hidrógeno son las siguientes:
Yo 2 + ASI 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→2 SO 2 + 2 H 2 O + O 2 (830 ° C (1530 ° F))
El agua, el SO 2 y el H 2 SO 4 residual deben separarse del subproducto oxígeno mediante condensación.
2 Hola+ calor→ Yo 2 + H 2 (450 °C (840 °F))
El yodo y el agua que lo acompaña o el SO 2 se separan por condensación y el producto de hidrógeno permanece en forma de gas.
Reacción neta: 2 H 2 O → 2 H 2 + O 2
Los compuestos de azufre y yodo se recuperan y reutilizan, de ahí la consideración del proceso como un ciclo. Este proceso S – I es un motor térmico químico . El calor ingresa al ciclo en las reacciones químicas endotérmicas de alta temperatura 2 y 3, y el calor sale del ciclo en la reacción exotérmica de baja temperatura 1. La diferencia entre el calor que entra y sale del ciclo sale del ciclo en forma de calor de combustión. del hidrógeno producido.
Características
Ventajas
Proceso totalmente fluido (líquidos, gases), por lo que es muy adecuado para la producción continua.
Sistema completamente cerrado sin subproductos ni efluentes (además de hidrógeno y oxígeno)
Adecuado para aplicaciones con fuentes de calor solares, nucleares e híbridas (por ejemplo, fósiles solares), si se pueden alcanzar temperaturas suficientemente altas.
Más desarrollado que los procesos termoquímicos competidores
Escalable desde una escala relativamente pequeña hasta aplicaciones enormes
No se necesitan catalizadores ni aditivos costosos o tóxicos
Reactivos corrosivos utilizados 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 viable a gran escala
En el rango de temperatura propuesto, las centrales térmicas avanzadas pueden alcanzar eficiencias (producción eléctrica por entrada de calor) superiores al 50%, lo que anula en cierto modo 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 el calor de proceso, las altas temperaturas requeridas hacen que los beneficios en comparación con la utilización directa del calor sean cuestionables.
No se pueden utilizar fuentes de energía térmica no térmica o de baja calidad, como la energía hidroeléctrica, la energía eólica o la energía geotérmica más disponible actualmente.
Investigación
El ciclo S-I fue inventado en General Atomics en la década de 1970. [1]
La Agencia Japonesa de Energía Atómica (JAEA) ha llevado a cabo experimentos exitosos con el ciclo S-I en el reactor de prueba de alta temperatura refrigerado por 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 generación IV de muy alta temperatura ( VHTR ) para producir cantidades de hidrógeno a escala industrial. (Los japoneses se refieren a este ciclo como ciclo IS.) Se han hecho planes para probar sistemas automatizados a mayor escala para la producción de hidrógeno. En el marco de un acuerdo de la Iniciativa Internacional de Investigación sobre Energía Nuclear (INERI), la CEA francesa , General Atomics y los Laboratorios Nacionales Sandia están desarrollando conjuntamente el proceso azufre-yodo. Se están llevando a cabo investigaciones adicionales en el Laboratorio Nacional de Idaho , en Canadá, Corea e Italia.
Reto 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 bajo 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 revestimientos. [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 la creación de 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
El ciclo azufre-yodo se ha propuesto 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 requiere calor de la combustión, reacciones nucleares o concentradores de calor solar.
^ Besenbruch, G. 1982. Proceso general de división termoquímica del agua con yodo y azufre atómico. Actas de la Sociedad Química Estadounidense, Div. Mascota. Chem., 27(1):48-53.
^ "Reactor de prueba 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. Avances en Energía Nuclear
Calor nuclear para la producción de hidrógeno: Acoplamiento de un reactor de muy alta/alta temperatura a una planta de producción de hidrógeno. 2009
^ Informe de estado 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 DOE de 2005 del ciclo termoquímico de azufre y yodo
^ Wonga, B.; Buckingham, RT; Marrón, LC; Russ, SER; Besenbruch, GE; Kaiparambil, A.; Santhanakrishnan, R.; Roy, Ajit (2007). "Desarrollo de materiales de construcción en el proceso termoquímico de división de agua entre 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.
^ Hoja de información de Saramet Archivada el 14 de febrero de 2006 en Wayback Machine.
^ T. Drake, BE Russ, L. Brown, G. Besenbruch, "Aplicaciones de tantalio para uso en experimentos a escala de yodo y azufre", reunión anual de otoño de 2007 de AIChE, 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 del perfil de MPR )
Uso del reactor modular de helio para la producción de hidrógeno ( Simposio de la Asociación Nuclear Mundial 2003)
