Producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos basados en perovskitas empleando corrientes térmicas de centrales nucleares
Hydrogen production through thermochemical cycles based on perovskites using thermal flows from nuclear power plants
Iván Brigidano 1, Alejandro Pérez 1, Juan Ángel Botas 1,2
Resumen
El crecimiento demográfico e industrial ha intensificado la crisis energética global, ha impulsado el uso masivo de combustibles fósiles y ha generado cuantiosas emisiones de dióxido de carbono (CO2 ). Para mitigar el cambio climático, se impulsa una transición hacia una economía energética baja en carbono en la que el hidrógeno (H2 ) tiene un papel clave como vector energético. La combustión de H2 no genera emisiones de CO2 , pero debe producirse a partir de compuestos como agua o biomasa y utilizando una fuente de energía.
Entre las tecnologías emergentes destaca la producción de H2 mediante ciclos termoquímicos, que disocian agua aprovechando calor de fuentes como centrales termosolares o nucleares de cuarta generación. En particular, los ciclos de óxidos metálicos no estequiométricos permiten operar a temperaturas moderadas (800-1.100 °C), y las perovskitas son materiales prometedores por su gran eficiencia y ciclabilidad.
La Universidad Rey Juan Carlos ha investigado perovskitas como LSCF-6428, ha optimizado las etapas de reducción térmica e hidrólisis y ha propuesto un diseño de reactores en paralelo para producción continua. En condiciones ideales, una planta de 60 MW podría producir hasta 1,67•108 m3 (STP)/año de H2 , lo que reduciría en el 98% las emisiones de CO2 frente al reformado convencional de gas natural con vapor de agua
Palabras clave: Hidrógeno, ciclos termoquímicos, perovskitas, energía nuclear y reactores de IV.
Abstract
Population and industrial growth have intensified the global energy crisis, driving the massive use of fossil fuels and generating significant CO2 emissions. To mitigate climate change, a transition to a low-carbon energy economy is being promoted, where hydrogen (H2 ) plays a key role as an energy carrier. H2 does not emit CO2 when burned, but must be produced from compounds such as water or biomass, using an energy source.
Emerging technologies include the production of H2 through thermochemical cycles, which split water by employing heat from sources such as solar thermal power plants or fourth-generation nuclear power plants. In particular, non-stoichiometric metal oxide cycles allow operation at moderate temperatures (800- 1,100 °C), with perovskite materials being promising due to their high efficiency and ciclability.
Universidad Rey Juan Carlos has investigated perovskites such as the LSCF-6428, optimizing the thermal reduction and hydrolysis steps and proposing a parallel reactors design for continuous production. Under ideal conditions, a 60 MW plant could produce up to 1.67•108 m3(STP)/year of H2 , reducing emissions by 98 % compared to conventional steam reforming of natural gas.
Keywords: Hydrogen, thermochemical cycles, perovskites, nuclear energy, and generation IV reactors.
1) Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos. c/ Tulipán s/n, 28933, Móstoles, Madrid, España.
(2) Instituto de Investigación de Tecnologías para la Sostenibilidad, Universidad Rey Juan Carlos. c/ Tulipán s/n, 28933, Móstoles, Madrid, España.
Recibido/received: 19/06/2025 Aceptado/accepted: 03/07/2025 (1) Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos. c/ Tulipán s/n, 28933, Móstoles, Madrid, España. (2) Instituto de Investigación de Tecnologías para la Sostenibilidad, Universidad Rey Juan Carlos. c/ Tulipán s/n, 28933, Móstoles, Madrid, España.
Autores para correspondencia: Iván Brigidano Pérez, e-mail: i.**************@**********jc.es; Alejandro Pérez Domínguez, e-mail: al**************@**jc.es.
El mundo se encuentra actualmente en una situación energética crítica, debido principalmente al crecimiento exponencial de la población y del sector industrial. Esta demanda se cubre en gran medida con combustibles de origen fósil. De su uso masivo derivan las altas emisiones de dióxido de carbono (CO2 ) registradas en los últimos años, con valores cercanos a las 37,4 Gt en 2023 (Agencia Internacional de la Energía, 2024a). Este CO2 es uno de los principales gases de efecto invernadero de origen antropogénico y responsable del cambio climático. Por ello, uno de los mayores retos a los que se enfrenta la sociedad es realizar una transición energética hacia una economía neutra en carbono que pueda mitigar estos problemas.
Bajo este preocupante contexto, la Organización de las Naciones Unidas adoptó en 2015 los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) con el objetivo de reducir las consecuencias negativas del cambio climático. Posteriormente, en 2019, la Unión Europea propuso el Pacto Verde Europeo, en el que se apuesta decididamente por una economía basada en las energías renovables y sostenibles. Entre estos objetivos, el H2 tiene un gran potencial como vector energético, capaz de almacenar energía y contribuir a descarbonizar los procesos industriales que no puedan ser electrificados (Morante et al., 2020). En esta línea, España ha apostado por el H2 y ha desarrollado la hoja de ruta del hidrógeno renovable con objetivos claros para su expansión y adopción en el ámbito nacional.
La combustión de H2 no produce emisiones de CO2 ni de otros contaminantes atmosféricos, por lo que resulta de gran interés en la transición energética hacia una economía neutra en carbono. Sin embargo, el H2 molecular no se encuentra libre en el planeta, por lo que debe obtenerse a partir de materias primas que lo contengan, como la biomasa y el agua (H2 O) y una fuente de energía adicional. En la figura 1 se indican las principales rutas de producción de H2 .
Los procesos de producción de hidrógeno se pueden clasificar según el tipo de materia prima empleada y las emisiones producidas por los procesos de obtención. El Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico considera la siguiente clasificación (2024):
•Hidrógeno verde. Producido mediante electrólisis empleando electricidad de origen renovable y agua. Se incluye también en esta categoría el hidrógeno obtenido por reformado de biogás con vapor de agua.
•Hidrógeno gris. Producido a partir de gas natural u otros hidrocarburos ligeros.
•Hidrógeno azul. Similar al hidrógeno gris, pero mediante técnicas de captura, almacenamiento y utilización de dióxido de carbono, con reducción de las emisiones hasta del 95%.
•Hidrógeno rosa. Producido mediante electrólisis empleando electricidad de origen nuclear.
Actualmente, los procesos que más se están desarrollando para la producción de H2 , libre de emisiones de CO2 , son los que se basan en la disociación de la molécula de H2 O (Agencia Internacional de la Energía, 2024b). Esta disociación puede realizarse mediante la aplicación de energía eléctrica (procesos electroquímicos) o mediante energía térmica (procesos termoquímicos). Estos últimos tienen la ventaja de que pueden aprovechar directamente la energía térmica de una central termosolar, pueden realizarse mediante cogeneración con corrientes térmicas de una central nuclear o mediante corrientes de calor residual de procesos industriales que aún tengan un nivel térmico adecuado, por lo que aumenta la eficiencia energética global del proceso.
Para llevar a cabo la disociación directa de H2 O utilizando energía térmica (termólisis de H2 O) se requieren temperaturas superiores a 2.500 ºC, y apenas se alcanza el 25% de conversión en estas condiciones, lo que limita su desarrollo tecnológico (Fernández Saavedra, 2007). Alternativamente, se proponen los ciclos termoquímicos, que requieren temperaturas inferiores, de 700-1.200 ºC (Oliveira et al., 2022). Estos ciclos pueden constar de varias etapas y tener una gran complejidad, aunque los ciclos de dos etapas han despertado un interés especial por su mayor sencillez. Sin embargo, su principal problema son los requisitos térmicos de una de las etapas, normalmente superiores a 1.200 ºC.
En la figura 2 se muestra el esquema simplificado de un ciclo termoquímico de dos etapas basado en óxidos metálicos no estequiométricos (MOn ). es el grado de reducción que alcanza el sólido. En la primera etapa del ciclo se produce la reducción térmica del óxido metálico, y se obtiene O2 gracias al aporte de energía térmica. A esta etapa le sigue, de forma cíclica, una segunda etapa en la que el óxido parcialmente reducido (MOn- ) reacciona con H2 O para producir H2 (hidrólisis) y regenerar el óxido metálico.
Entre las diferentes ventajas de los ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos, cabe destacar (Mehrpooya & Habibi, 2020; Yadav & Banerjee, 2016):
1.El H2 y el O2 son los productos finales del proceso global, sin que haya otros productos intermedios.
2.El H2 y el O2 se obtienen en dos corrientes diferenciadas e independientes. De este modo se evita su posible recombinación y posibles problemas de seguridad.
3.Los óxidos metálicos pueden ser regenerados fácilmente.
4.La corriente de H2 obtenida es, idealmente, pura. También lo es la corriente de O2 obtenida, y tendrá valor comercial.
Se han estudiado diversos materiales para los ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos (p. ej., MgO, ZnO, Fe3 O4 o CeO2 ); no obstante, estos materiales a pesar de lograr producciones de H2 prometedoras, requieren temperaturas muy elevadas para la etapa de reducción térmica (> 1.500 ºC). Por esta razón entran en juego los óxidos metálicos no estequiométricos, cuya etapa de reducción térmica ocurre a menor temperatura (del orden de 1.100 °C o inferior). Entre estos óxidos metálicos destacan algunas perovskitas (Orfila et al., 2016). Estos materiales reciben su nombre en honor al minerólogo ruso Lev Alekseyevich von Perovski, quien descubrió las perovskitas naturales en 1893 en los Montes Urales (Tanaka & Misono, 2001). Las perovskitas reciben también especial atención por su empleo en la fabricación de células solares (Green et al., 2014). La estequiometría más común de las perovskitas es ABO3 . A es un metal alcalinotérreo (La, Sr, Ca, entre otros) o un lantánido y B, un metal de transición (Co, Ni, Fe, Cu, entre otros).
Con el objetivo de mejorar las propiedades químicas y físicas de las perovskitas, estas pueden sintetizarse en el laboratorio y dar lugar a estructuras con la formulación A1- A’ B1- B’ O3± en las que los cationes A y B son sustituidos parcialmente por otros cationes. Las últimas investigaciones de la línea de Obtención de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos del Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos (GIQA) se centran precisamente en estos compuestos, empleando perovskitas de tipo ABO3± con diferentes formulaciones y sustituciones de metales para la producción de H2 (Pérez et al., 2022). La fuente de energía térmica necesaria en los ciclos termoquímicos debe alcanzar temperaturas a las que se puedan llevar a cabo las dos etapas de los ciclos de reacción. En la Universidad Rey Juan Carlos se están desarrollando materiales que permiten trabajar entre 800 ºC y 1.000 ºC para poder emplearlos en centrales termosolares, mediante estrategias de cogeneración con corrientes térmicas de una central nuclear de cuarta generación o con aprovechamiento de corrientes de calor residual de procesos industriales con un nivel térmico adecuado.
Respecto a la producción con energía nuclear, los reactores nucleares de agua a presión o de agua en ebullición no pueden superar los 350 ºC. Por este motivo, la mayoría de los reactores actualmente operativos no podrían acoplarse a una planta de producción de hidrógeno basada en ciclos termoquímicos. Sin embargo, los reactores de cuarta generación de muy alta temperatura (VHTR, del inglés very high temperature reactor) pueden superar los 1.000 ºC de forma segura en operación (Generation IV International Forum, 2001). Estos modelos de reactores están en desarrollo y ya han empezado a operar las primeras unidades basadas en esta tecnología. En estos reactores se genera la energía térmica mediante fisiones nucleares en el núcleo del reactor. Esta energía se transporta a un intercambiador de calor a través del circuito primario empleando helio como fluido refrigerante. En el intercambiador de calor se transfiere la energía térmica al circuito secundario para producir vapor de agua que podrá ser usado para mover una turbina y generar electricidad mediante un ciclo Rankine. Pero una parte del vapor también podría ser usada para cogenerar hidrógeno mediante ciclos termoquímicos. El diagrama de la propuesta de acoplamiento se muestra en la figura 3.
Para poder avanzar en esta línea, resulta fundamental realizar estudios de integración energética de corrientes, junto con el estudio de los esquemas de conversión que puedan resultar adecuados en función de los materiales sólidos empleados y los niveles térmicos alcanzables. Por eso en este trabajo académico se ha realizado un estudio preliminar de optimización de las etapas de reducción térmica e hidrólisis que busca maximizar la producción de hidrógeno por ciclo de operación (Brigidano Pérez, 2023).
Los datos experimentales empleados en el estudio corresponden a la perovskita LSCF-6428 (La0,6Sr0,4Co0,2 Fe0,8O3± ) sintetizada en los laboratorios del GIQA. Para poder operar de forma continua se planteó emplear, al menos, dos reactores químicos independientes dispuestos en paralelo, de forma que cuando uno de los reactores se encuentre en la etapa de reducción térmica del óxido sólido, el otro opere en la etapa de generación de H2 . Finalmente, con la información obtenida se ha realizado una estimación de la producción de H2 en una unidad de 60 MW de potencia térmica, que puede llegar a alcanzar una producción de 1,67·108 m3 (STP)/año. Esto supondría una importante reducción de las emisiones de CO2 (aprox. 98 %) con respecto a la producción convencional de H2 por reformado de gas natural con vapor de agua.
Los autores agradecen el apoyo financiero del proyecto RHYDROGENALTES (TED2021- 132540BI00 financiado por MICIU/AEI /10.13039/ 501100011033 y por la Unión Europea Next Generation EU/PRTR, y a la Comunidad de Madrid por la financiación del proyecto ACES4NET0-CM (TEC-2024/ ECO-116) mediante el programa de actividades de I+D Tecnologías 2024 y la cofinanciación del proyecto ONEHYDRO (M-2733) en el marco del Convenio Plurianual con la Universidad Rey Juan Carlos.
BIBLIOGRAFÍA
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