Un vistazo a la síntesis de metanol en tiempo real
Operación dinámica de un mini-planta en el Fraunhofer ISE
El metanol ganará importancia como portador de energía química en el curso de la transformación de la energía. Como parte del proyecto "Power to Metanol - Green Methanol", el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE puso en marcha con éxito una miniplanta para la síntesis de metanol - la producción de metanol a partir de hidrógeno y CO2 - en diciembre de 2019. Con una técnica de medición de alta resolución temporal y espacial, la instalación permite investigar la síntesis de metanol, entre otras cosas, en el marco de los llamados procesos de "Power to Liquid" a escala industrial. Aquí, el principal foco de atención de las investigaciones es el funcionamiento de reactores dinámicos y composiciones de gas no convencionales utilizando hidrógeno producido por electrólisis y corrientes de gas que contienen CO2.
Miniplanta de reducción de escala para la investigación de la síntesis de metanol en el Fraunhofer ISE
© Fraunhofer ISE
Con una producción anual de más de 100 millones de toneladas métricas, el metanol es ya uno de los productos químicos básicos más importantes en todo el mundo. Los procesos de producción convencionales basados en materias primas fósiles como el gas natural, el carbón o el petróleo crudo han alcanzado la madurez técnica en las últimas décadas, pero causan altas emisiones de CO2. "Por el contrario, la síntesis de metanol en los llamados procesos Power to Liquid ofrece el potencial de ligar el CO2 de la biomasa, por ejemplo, y de reutilizarlo", explica el Dr.-Ing. Achim Schaadt, jefe del departamento de Procesos Termoquímicos del Fraunhofer ISE.
El proyecto "Power-to-Methanol - Green Methanol", financiado por el Ministerio Federal de Economía y Energía de Alemania y dirigido por DECHEMA e. V., está investigando este tipo de alternativa. Los socios industriales son CropEnergies AG, miembro del Grupo Südzucker, el grupo de especialidades químicas Clariant y thyssenkrupp Industrial Solutions AG. Los socios académicos son los Institutos Fraunhofer IGB y UMSICHT y la TU Bergakademie Freiberg. "El objetivo del proyecto es un examen científico y económico de la viabilidad de una síntesis de metanol utilizando electricidad renovable y CO2 biogénico de una biorrefinería que produce etanol renovable", dice el líder del proyecto Max Hadrich, jefe del equipo Power to Liquids del Fraunhofer ISE.
Investigaciones sobre la dinámica de la síntesis del metanol
La miniplanta convierte el hidrógeno y el CO2 en metanol en un proceso continuo. En esta reacción, se libera calor y se produce agua como subproducto. Sin embargo, todavía hay que responder a una serie de preguntas antes de que este proceso, en combinación con una biorrefinería, pueda ser implementado a escala industrial. Por ejemplo, un contenido tan alto de CO2 en el gas de síntesis conduce a un envejecimiento acelerado del catalizador y a un menor rendimiento químico. Además, las fluctuaciones tanto en la cantidad de hidrógeno producido por las energías renovables como en el proceso de suministro de CO2 pueden requerir un funcionamiento dinámico de la síntesis. "Esto da como resultado una amplia gama de combinaciones de puntos de operación técnica que deben ser investigados primero antes de que la síntesis sostenible de metanol pueda ser implementada a escala industrial. Tal dinámica simplemente no está prevista en los procesos utilizados hoy en día", dice Florian Nestler, estudiante de doctorado en el Fraunhofer ISE.
El Dr. Andreas Geisbauer, experto en energía a líquido del socio del proyecto Clariant confirma: "La producción de metanol a partir de CO₂ y de hidrógeno 'verde' impone grandes exigencias al rendimiento de los catalizadores. La nueva planta es un hito importante en el camino para desarrollar catalizadores y procesos optimizados para esta exigente aplicación".
Simulaciones y experimentos de una sola fuente
En el ISE de Fraunhofer, las nuevas condiciones límite para la síntesis de metanol se están investigando experimentalmente y mediante simulaciones. El enfoque está en los procesos catalíticos en el reactor de síntesis. Para ello se ha desarrollado una plataforma de simulación dinámica que puede calcular la transferencia de calor en estado estable y dinámica, el comportamiento de la reacción y las curvas de temperatura temporal y espacial.
A fin de aplicar con éxito la tecnología a una planta industrial con el menor esfuerzo y en un corto período de tiempo, se construyó un reactor de síntesis industrial a escala reducida. Este reactor es el corazón de una miniplanta que fue diseñada y construida por investigadores del ISE de Fraunhofer. Un sistema de refrigeración especialmente adaptado permite a la miniplanta operar con un comportamiento térmico y cinético de reacción similar al de una planta a gran escala.
La miniplanta ayudará a validar y ampliar los enfoques de modelado y simulación que se encuentran en la literatura. Para ello, se ha integrado en la mini-planta un sistema analítico de alta resolución temporal y espacial. Esto permite, por un lado, una medición dinámica de la concentración del producto mediante la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) y, por otro lado, una medición de la temperatura con resolución espacial en el interior del reactor mediante un novedoso método de medición de fibra óptica. En combinación, estos datos de medición proporcionan información en tiempo real, en el rango de segundos, sobre los procesos en el reactor y pueden utilizarse para adaptar los parámetros del modelo tanto para simulaciones en estado estacionario como dinámicas. En el futuro, no sólo será posible obtener información sobre la cinética de reacción sino también sobre la desactivación del catalizador en las mediciones a largo plazo. Los puntos de operación pueden caracterizarse muy rápidamente, lo que permite procesar rápidamente incluso rangos extensos de parámetros.
Los conocimientos adquiridos de esta manera se vincularán a la plataforma de simulación dinámica existente del Fraunhofer ISE. Esto permite la investigación de los cambios de carga como ocurrirían en las plantas industriales reales en el futuro. Esto a su vez genera datos valiosos que ayudan a asegurar que el metanol pueda obtenerse de materias primas sostenibles y electricidad renovable y pueda así utilizarse en diversas aplicaciones como portador de energía, químico y combustible (aditivo).
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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