Abstract

El estudio de los procesos termoquímicos solares va de la mano del conocimiento de los sistemas de alta concentración solar, junto con el diseño de reactores químicos que permitan evaluar dichos procesos. Estos procesos termoquímicos están destinados a dos campos de aplicación: el almacenamiento de energía y la producción de combustibles solares como el hidrógeno. En particular los procesos termoquímicos basados en ciclos de reducción-oxidación de óxidos metálicos, tienen lugar en ambos campos de aplicación. El presente trabajo tiene por objetivo caracterizar un reactor químico solar de tipo rotativo. Dicha caracterización se realizó por la vía experimental y fue probado en las instalaciones del Horno Solar del Instituto de Energías Renovables de la UNAM. Se presentan los resultados de la caracterización térmica, tiempos de residencia y conversión química del reactor.

Para la caracterización térmica se diseñó un experimento con una muestra de grafito, el cual se colocó al interior del RR-HoSIER en una atmósfera inerte. Las pruebas consistieron en irradiar la muestra a una potencia constante hasta alcanzar un estado estable. Con esta prueba se calculó una eficiencia térmica sin conversión química la cual fue de aproximadamente 18%. Cabe resaltar que las condiciones experimentales para estas pruebas sirvieron como base experimental para incursionar en la medición de temperatura en entorno de alta concentración solar por métodos indirectos, en este caso mediante termografía. Sin embargo el área de medición de temperaturas en ambientes de alta concentración solar es un campo de estudio en desarrollo y un análisis en extenso de estas técnicas quedan fuera de los alcances del presente trabajo.

Dentro de la caracterización térmica incluye pruebas de máxima temperatura alcanzada en el interior del reactor. En este caso para inferir dicha temperatura se llevó a cabo una prueba destructiva. Para la prueba se colocó al interior del reactor una muestra de tungsteno montado en una placa de grafito, éste último sirvió como crisol. En presencia de una atmósfera inerte, la muestra se irradió con radiación solar concentrada. Los resultados obtenidos fueron la fundición de tungsteno a una temperatura aproximada de 3680 K, sin llegar a fundir el grafito lo cual ocurre a una temperatura aproximada de 3800 K. Con los resultados obtenidos de dichas pruebas se infiere que las temperaturas máximas alcanzadas en el reactor están en éste rango de temperatura.

La caracterización de tiempos de residencia, sirve para determinar el comportamiento que tiene el flujo de gases al interior del reactor, para poder compararlo con los modelos de flujo ideal, en este caso se busca comparar con un modelo ideal de flujo pistón. Los modelos de flujo ideal se ajustan a modelos ideales de cinética de reacciones químicas lo cual sirve para extender un análisis de las reacciones químicas que ocurren dentro de un reactor. Existe un parámetro adimensional que determina la dispersión que tiene un gas en interacción con un gas de arrastre. Para un flujo pistón el parámetro de dispersión D/uL es menor a 0.001. Para las pruebas con el reactor se introdujo un flujo continuo de argón como gas de arrastre. A manera de trazador, se inyectó un pulso súbito e instantáneo de oxígeno. Con un analizador de oxígeno se midió la concentración de la mezcla de gases a la salida del reactor. De las pruebas se calculó un parámetro de dispersión D/uL = 0.08, lo cual indica que el reactor no se ajusta al modelo de flujo pistón. Para el caso del RR-HoSIER que no se ajusta al modelo ideal de flujo pistón complica realizar estudio de cinética de reacciones, por tal razón se proponen trabajos futuros para mejorar el desempeño RTD del reactor.

La caracterización química del reactor que se presenta en este trabajo se enfoca en pruebas de reducción-oxidación de óxido de cobre. Cabe mencionar que los estudios se enfocan más para aplicaciones de almacenamiento termoquímico que para producción de hidrógeno. Como se mencionó anteriormente el reactor es de tipo rotativo, es decir que el crisol donde se llevan a cabo las reacciones químicas puede girar. Sin embargo se realizaron pruebas que permitieran comparar la operación del reactor en modo estático y en modo rotativo en una atmósfera de gas argón, ambas pruebas se realizaron con 10 gramos de óxido de cobre. Para las pruebas en estático se introdujo en el reactor una probeta de alúmina con el óxido empaquetado en su interior y no se hizo girar al reactor. Para las pruebas en rotativo, el óxido se colocó en el crisol y se hizo rotar. De los resultados se obtuvieron conversiones químicas de 13% en estático y de 80% en rotativo. También se lograron resultados satisfactorios de reducción de óxido de cobre en aire y se pudieron completar ciclos de reducción-oxidación también en presencia de aire.

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El ciclo termoquímico del óxido de cerio (CeO2) es una opción prometedora para la producción de hidrógeno con energía solar concentrada, ya que es estable a temperatura ambiente ( esto lo hace un buen candidato para almacenar energía), reacciona rápidamente con el agua a una temperatura moderada y no se recombina con el oxigeno, lo cual sucede con el ya bastante conocido ciclo del ZnO.

Recientemente, el paso endotérmico del ciclo del CeO2 fue probado experimentalmente en un reactor de vidrio por Abanades y Flamant (Solar Energy, 80, 1611-23). Sin embargo este proceso podría verse beneficiado si se utilizará un reactor tipo cavidad, ya que con este tipo de reactores las pérdidas radiativas se disminuyen, lo que trae como consecuencia un incremento de las temperaturas en el interior del reactor, y por lo tanto, una mejora en la reacción. Es por ello que en el presente trabajo se propone un reactor tipo cavidad para llevar a cabo la reducción térmica del CeO2. Para proponer un diseño es necesario modelar la transferencia de calor y como este proceso se lleva a cabo a temperaturas muy altas (T ≈ 2300), la transferencia de calor radiativa tiene un papel muy importante en el modelo propuesto.

El presente proyecto de tesis tiene el objetivo principal de modelar la transferencia de calor radiativa en un reactor solar termoquímico, pensado para llevar a cabo la reducción del óxido de cerio. El reactor simulado consistió en una cavidad cilíndrica cerrada con tapas planas, la cual contiene una suspensión homogénea de partículas. Una de las tapas de la cavidad tiene una abertura circular, de radio inferior al radio de la tapa y esta apertura esta ́ sujeta a radiación solar concentrada que proviene de un concentrador paraboloidal. Para llevar a cabo dicho estudio se elaboró un código que se basa en el método Monte Carlo. En el modelo se consideraron las características direccionales con las que entra la radiación solar a la cavidad y, asimismo, se asume que el reactor contiene una suspensión fluidizada de partículas de óxido de cerio radiativamente participativas. En el análisis se toman en cuenta las características radiativas de las partículas (secciones de absorción y esparsión). Éstas se calculan con la teoría de esparcimiento de Mie, usando las propiedades ópticas del CeO2, determinadas por diversos autores en la parte ultravioleta, visible e infrarroja del espectro.

En las simulaciones se analiza, para diversos radios de apertura de la cavidad, el efecto que tienen diversos tamaños de la partículas y varias concentraciones, en la distribución de temperaturas.

Los resultados obtenidos muestran que el radio de apertura óptimo que maximiza temperatura promedio, es alrededor de un 30-40 % más pequeño que el radio que da la mayor absorción solar. A pesar de que este radio óptimo no da la mayor absorción de radiación solar que entra a la cavidad, sí reduce las pérdidas radiativas por emisión. Asimismo se encuentra que sólo una fracción de partículas muy pequeña necesita estar en estado fluidizado con el fin de alcanzar temperaturas de operación.

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El Horno solar de altos flujos radiativos (HoSIER) es una instalación del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración y Química Solar (LACYQS). El HoSIER  tuvo una primera etapa donde se construyeron las principales estructuras para poder concentrar energía solar, estas estructuras son un helióstato de 36 m2, un atenuador de 42.2 m2 y 211 espejos hexagonales de vidrio pulido, con cinco radios de curvatura distintas, los cuales se encuentran soportados en una estructura paraboloidal, los cuales conforman el concentrador. Posteriormente se hizo un helióstato plano de mayor tamaño (81 m2), así como se agregaron más espejos hexagonales al concentrador para completar 409 y componentes periféricos como la mesa de experimentación y un sistema de refrigeración los cuales son controlados y monitoreados mediante un sistema SCADA.

Para la segunda etapa se pretende desarrollar experimentación con reactores termoquímicos y fotoquímicos, además de realizar estudios térmicos  destructivos de materiales y para ello es necesario equipar  a la mesa de experimentación  con sistemas de alimentación de gases, sistemas de análisis de gases y equipos de medición de temperatura de no contacto.

Los sistemas de alimentación y análisis de gases son parte fundamental para la experimentación en reactores termoquímicos ya que al realizar ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos permiten la obtención de hidrogeno mediante la ruptura de la molécula de vapor de agua. Esto sucede mediante la reducción térmica de un oxido metálico con energía solar altamente concentrada obteniendo así la liberación de oxígeno. La reducción reacciona con agua y de esta forma  se libera hidrógeno y se recupera el óxido de partida.
Los sistemas de alimentación y análisis de gases se diseñaron en base a los requerimientos de algunos experimentos termoquímicos, además de que ya se tenía algunos de los componentes fue necesario agregar al diseño instrumentación electrónica para crear un sistema de alimentación y analísis de gases automatizado.

Para los dispositivos de los susbsistemas de alimentación y análisis de gases es necesario controlar y monitorear su comportamiento durante los experimentos. Para ello se utilizó programación en el entorno de LabVIEW además se utilizaron módulos para Compact RIO de National Instruments para realizar pruebas y adquisición de los datos entregados por los analizadores químicos.

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Sin resumen en la tesis

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La creciente demanda energética provocada por el rápido incremento poblacional, ha llevado a un agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, además de un gran impacto ambiental, ocasionado por las altas emisiones de CO2 generadas en los procesos de transformación que tienen lugar en el sector industrial. La energía solar se postula como una alternativa con gran potencial para mantener la disponibilidad energética en un plano a futuro, reduciendo en gran nivel las altas emisiones de CO2.

Dentro de las tecnologías de concentración solar, las cuales aprovechan la energía solar para transformarla en otro tipo de energía, los reactores solares utilizan la radiación concentrada transformándola en energía térmica, la cual se usa después para llevar a cabo una reacción química endotérmica. A este proceso se le denomina “termoquímico solar”. Un reactor solar es un receptor diseñado para operar a altas temperaturas, minimizando las pérdidas de calor y favoreciendo el intercambio térmico y másico entre las especies que participan en la reacción.

En esta tesis se realiza una propuesta de diseño de un reactor solar destinado a la gasificación, por vapor de agua, de coque de petróleo. El coque de petróleo es un producto residual con un alto contenido de carbono, resultante del proceso de pirolisis de las fracciones pesadas que se obtienen en la refinación del petróleo. Una característica del coque que permite considerarlo como una alternativa de mediano y largo plazo para la generación de electricidad o de vectores energéticos como el hidrógeno, es su poder calorífico equivalente al 80% del de un residual líquido, como el combustóleo. Además, al ser combinado con agua mediante la reacción endotérmica de “gasificación solar”, se produce un gas de síntesis con un valor energético mucho mayor. Este trabajo es una propuesta de optimización para un reactor preliminar diseñado en el Instituto de Energías Renovables (IER) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y que forma parte de una tesis doctoral en desarrollo.

Se realizó una extensa revisión bibliográfica sobre los reactores solares destinados a la gasificación de materiales carbonáceos. En base a esta revisión, se realizan diversas modificaciones en el diseño del reactor, y se proponen dos estudios: El primero consiste en un análisis de distribución de radiación en la zona focal y en la ventana de cuarzo del reactor. En este análisis se realizan diversas simulaciones para conocer la densidad de flujo solar en la zona focal, en donde se coloca la muestra de coque, y fuera de la zona focal, en donde se posiciona la ventana de cuarzo que permite el paso de la radiación al interior del reactor. Con los datos resultantes, se determina la distancia de posicionamiento de la ventana a la cual se obtiene una potencia o flujo con el que la muestra pueda alcanzar las temperaturas de reacción necesarias. Además, mediante estos datos es posible determinar las temperaturas máximas y promedio a las que se expone la ventana, para así poder evitar que éstas sobrepasen los límites a los que el material puede llegar sin deformarse o quebrarse. En el segundo estudio se determina la mecánica de los fluidos de arrastre en el interior del reactor. Para esto se llevan a cabo simulaciones, mediante Dinámica de Fluidos Computacional, en ausencia de radiación y a un determinado flujo másico, obteniendo así la magnitud de los vectores de velocidad producidos dentro del reactor. Para comprender el funcionamiento del modelo y del software, se describen algunas de las propiedades termofísicas de los fluidos, las ecuaciones que rigen el fenómeno a estudiar, se realiza una explicación general de los métodos de solución numérica y una breve definición del concepto y modelado del fenómeno de turbulencia. Posteriormente se realiza el análisis de flujo en el diseño preliminar y se propone una optimización del mismo.
La descripción detallada de las piezas del reactor preliminar, junto con las del diseño óptimo, resultante de los estudios antes mencionados, se realiza al final. Además, se lleva a cabo una breve explicación de algunos dispositivos y accesorios utilizados, y la selección de los materiales adecuados para su construcción.