VIABILIDAD TCNICA DE LA PRODUCCIN Y USO DE HIDRGENO EN EMPRESAS CERMICAS

2008

1 RESUMEN............................................................................................................................ 4

2 ANTECEDENTES ................................................................................................................ 4

3 ANLISIS DE LAS TECNOLOGAS DE PRODUCCIN Y ALMACEN AMIENTO DE HIDRGENO......................................................................................................................... 5

3.1 PRODUCCIN DE HIDRGENO ........................................................................................... 5 3.1.1 Hidrgeno a partir de combustibles fsiles. ............................................................ 5 3.1.2 Hidrgeno a partir de biomasa ................................................................................ 6 3.1.3 Hidrgeno a partir de la electrlisis del agua. ......................................................... 7 3.1.4 Biofotlisis. .............................................................................................................. 8 3.1.5 Termlisis. ............................................................................................................... 8 3.1.6 Fotoelectrlisis......................................................................................................... 9 3.1.7 Hidrgeno como subproducto de procesos industriales. ........................................ 9

3.2 ALMACENAMIENTO DE HIDRGENO. ................................................................................. 10 3.2.1 Hidrgeno gaseoso. .............................................................................................. 10 3.2.2 Hidrgeno lquido. ................................................................................................. 10 3.2.3 Hidrgeno en compuestos slidos. ....................................................................... 11

4 CARACTERIZACIN ENERGTICA Y AMBIENTAL DE LAS INSTA LACIONES DE ATOMIZACIN DEL SECTOR DE FABRICACIN DE BALDOSAS C ERMICAS......... 13

4.1 DESCRIPCIN DEL PROCESO DE FABRICACIN DE BALDOSAS CERMICAS .......................... 13 4.2 EMPLEO DE SISTEMAS DE COGENERACIN EN EL PROCESO PRODUCTIVO .......................... 14 4.3 CARACTERIZACIN ENERGTICA DE LAS EMPRESAS DEL SECTOR CERMICO...................... 17

4.3.1 Empresas fabricantes de polvo atomizado ........................................................... 17 4.3.2 Empresas fabricantes de baldosas cermicas...................................................... 18

5 ANLISIS DE LAS TECNOLOGAS DE PRODUCCIN TRMICA M EDIANTE HIDRGENO PURO Y EN MEZCLA CON GAS NATURAL. ........ .................................... 18

5.1 LA COMBUSTIN EN LA INDUSTRIA CERMICA ................................................................... 18 5.1.1 Atomizacin ........................................................................................................... 18 5.1.2 Secado .................................................................................................................. 19 5.1.3 Coccin.................................................................................................................. 20

5.2 PROPIEDADES DEL HIDRGENO COMO COMBUSTIBLE ....................................................... 21 5.3 ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIN ................................................................................. 22 5.4 SUSTITUCIN DEL GAS NATURAL POR HIDRGENO EN LA INDUSTRIA CERMICA .................. 24

5.4.1 Caractersticas de las llamas ................................................................................ 26 5.4.2 Quemadores de hidrgeno.................................................................................... 27

6 RESUMEN Y CONCLUSIONES ........................................................................................ 30

7 BIBLIOGRAFA....................................... ........................................................................... 32

Viabilidad tcnica de la produccin y uso de Hidrgeno en empresas cermicas

4

4 ITC-AICE, 2008

1 RESUMEN

El hidrgeno es el elemento qumico ms ligero de la tabla peridica. Es muy abundante en la naturaleza, pero no en estado libre. Habitualmente, se encuentra asociado a otras estructuras (hidrocarburos, agua, materia orgnica), por lo que para su obtencin es necesario un proceso previo.

Una vez en estado puro, el hidrgeno puede almacenarse y ser utilizado posteriormente para generar energa trmica o elctrica cuando se requiera. Por esta razn, se le denomina vector energtico.

El hidrgeno es un gas combustible que reacciona fcilmente con oxgeno, desprendiendo nicamente vapor de agua.

Actualmente, la mayor parte del hidrgeno que se produce a nivel mundial se obtiene a partir de combustibles fsiles, proceso que genera la emisin de dixido de carbono.

Otro proceso muy conocido es la obtencin de hidrgeno mediante la electrlisis del agua. Este proceso requiere energa elctrica, y produce dos gases limpios: hidrgeno y oxgeno.

La manera ms sostenible de emplear el hidrgeno como fuente de energa es obtenerlo a partir de fuentes renovables, como la energa solar, la energa elica, biomasa, etc. De este modo, se reduce la dependencia de los combustibles fsiles (carbn, petrleo y gas natural, principalmente), y se evita la emisin de dixido de carbono a la atmsfera.

En este documento, se realiza un breve repaso de las diferentes tecnologas de produccin y almacenamiento de hidrgeno. A continuacin se muestran diferentes situaciones existentes en las empresas de fabricacin de grnulo atomizado y baldosas cermicas, desde el punto de vista de los consumos de energa, con vistas a analizar las posibilidades de incorporar las tecnologas del hidrgeno a las instalaciones

Finalmente se analizan las posibilidades de utilizar hidrgeno como fuente de energa trmica en los quemadores de las diferentes mquinas trmicas utilizadas en el proceso de obtencin de baldosas cermicas.

2 ANTECEDENTES

El ITC, junto al ITE, ha participado en la ejecucin del proyecto Reduccin del coste energtico en empresas con cogeneracin mediante la generacin de hidrgeno. Este proyecto se present al Programa de Fomento de Investigacin Tcnica (Profit) en el ao 2006 y que tiene una duracin de 2 aos. El proyecto ha sido coordinado por el ITE.

El principal objetivo del proyecto es estudiar la viabilidad tcnica y econmica de producir y/o utilizar hidrgeno en empresas del sector cermico, especialmente en aquellas que posean en sus instalaciones algn sistema de cogeneracin.

En este informe se muestra parte del trabajo realizado en el marco del citado proyecto, y se elabora con el objetivo de difundir los resultados obtenidos entre las empresas del sector cermico.

3 ANLISIS DE LAS TECNOLOGAS DE PRODUCCIN Y ALMAC ENAMIENTO DE HIDRGENO.

3.1 Produccin de hidrgeno

Las diferentes vas de produccin del hidrgeno quedan representadas en el siguiente diagrama:

Figura 1: Diferentes lneas de produccin de hidrg eno.

Se puede obtener hidrgeno a partir de diferentes fuentes, entre las que se encuentran los combustibles fsiles, el agua y la biomasa.

3.1.1 Hidrgeno a partir de combustibles fsiles.

Los procesos de obtencin de hidrgeno a partir de combustibles fsiles se basan en la generacin de un gas de sntesis, que es una mezcla de CO e H2. Tras esta primera etapa, se elimina el CO de la mezcla.

Estos procesos son, principalmente, dos: reformado con vapor (steam reforming) y oxidacin parcial (partial oxidation).

El proceso de reformado con vapor se realiza, mayoritariamente, con gas natural. El proceso consiste en una conversin cataltica del hidrocarburo en presencia de vapor de agua sobrecalentado. La reaccin es endotrmica, y se produce a unos 900 C y una presin de 20 bar.

Las reacciones que tienen lugar son:

Energa Nuclear

Viabilidad tcnica de la produccin y uso de Hidrgeno en empresas cermicas

6

6 ITC-AICE, 2008

222

224

HCOOHCO

H3COOHCH

++++

En el proceso de oxidacin parcial, la reaccin principal consiste en la combustin incompleta, en presencia de vapor de agua, de cualquier sustancia que contenga carbono orgnico. Suele realizarse a partir de hidrocarburos pesados. Las reacciones que se producen pueden representarse, de manera general, del siguiente modo:

22mn

22mn

Hn2m

nCOOnHHC

H2m

nCOO2n

HC

+++

++

Si partimos del gas natural, se puede obtener hidrgeno mediante tres procesos qumicos diferentes: SMR (Steam Methane Reforming) o Reformado con vapor, POX (Partial Oxidation) u oxidacin parcial y ATR (Autothermal Reforming) o reformado autotrmico. En la siguiente tabla se resumen las ventajas e inconvenientes de estos mtodos:

Tecnologa Reformado con vapor Oxidacin parcial

Ventajas Eficiencia Emisiones

Coste de unidades grandes

Tamao Coste de unidades pequeas

Sistema simple

Desventajas

Sistema complejo Eficiencia, Calidad H2

Tabla 2: Comparacin de los mtodos de obtencin de hidrgeno a partir de combustibles fsiles.

La produccin de hidrgeno a partir de carbn se realiza mediante una variedad de procesos de gasificacin (p.e. lecho fijo, lecho fluidizado, etc.). Es un proceso ms complejo comparado con la produccin de hidrgeno a partir de gas natural y el coste del hidrgeno es ms elevado. En todos los procesos de obtencin de hidrgeno a partir de combustibles fsiles, el dixido de carbono es el gas de escape. Para obtener una produccin sostenible de hidrgeno, el CO2 debe ser capturado y almacenado, para lo que se utili