El Instituto de Tecnología Química (ITQ), centro mixto de la Universitat Politècnica de València (UPV) y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), participa en el proyecto europeo ‘Sommer. Solar-based Membrane Reactor for Syngas Production’ que investiga el proceso de producción de combustibles renovables y productos químicos a través del uso de luz solar como fuente de energía utilizando únicamente CO2 y agua como materia prima. La energía solar de concentración empleada en el proyecto ‘Sommer’ se basa en sistemas de concentración ópticos para obtener altas temperaturas usando únicamente la radiación solar. El calor generado en los receptores de las centrales termosolares de tipo torre puede también ser usado para llevar a cabo reacciones que requieren alta temperatura.
Durante los cuatro años de duración del proyecto –informan desde el ITQ (UPV-CSIC)– se van a desarrollar reactores de membrana cerámicos avanzados, capaces de operar a 1500 ºC. En estos reactores se llevarán a cabo las reacciones de disociación de H2O y CO2 usando como único aporte energético la energía solar de concentración. Estas reacciones dan como producto una mezcla llamada gas de síntesis que se utiliza como precursor en la producción sintética de productos químicos de alto valor añadido y combustibles para transporte. Según explica Maria Balaguer, investigadora responsable del proyecto en el ITQ, "este proyecto es una oportunidad única para aplicar nuestra experiencia en materiales y reactores catalíticos de membrana a procesos termosolares, una tecnología clave para producir combustibles renovables a partir de agua y CO2 de forma sostenible".
Una investigación y unos descubrimientos que podrán aplicarse en un futuro sostenible donde seguirán existiendo procesos industriales que liberan CO2 . Por una parte, en la producción de cemento, por ejemplo, o en la industria química que seguirá requiriendo carbono como materia prima, es decir, de forma sostenible a partir del CO2. "El uso de este inevitable CO2 para la producción de materias primas químicas permite una economía circular del CO2", señalan desde el ITQ.
Características del proyecto
El CO2 es por naturaleza una molécula no reactiva. Para que reaccione, debe estar expuesto a altas temperaturas en un proceso sostenible con fuentes de energía que no afecten a las emisiones de gases de efecto invernadero. Esta es la innovación de ‘Sommer’: el calor de la luz solar concentrada se utiliza directamente como fuente de energía. Una membrana especial permite reducir la entrada de calor necesaria de más de 2500°C a menos de 1500°C. La ventaja sobre los procesos de electrólisis, que separan el oxígeno del CO2 y del agua utilizando electricidad verde, es que no se requiere electricidad para el proceso en sí. Esto es una ventaja, ya que el calor de la luz solar concentrada se puede almacenar fácilmente durante más horas de funcionamiento en acumuladores de energía térmica.
‘Sommer’ pretende desarrollar y demostrar un innovador proceso neutro en carbono para la producción de gas de síntesis mediante la integración directa de la energía solar en un reactor catalítico de membrana, facilitando la descomposición de H2O y CO2 (por ejemplo, capturado de industrias emisoras de carbono o a través de la captura directa del aire). Uno de los objetivos asociados es abandonar la energía fósil para la producción de gas de síntesis, utilizando CO2 en lugar de gas natural como materia prima. Con este gas de síntesis, un producto intermedio fundamental para la industria química, ‘Sommer’ abarca toda la cadena de valor, desde el suministro de CO2 en una planta cementera hasta la formación de gas de síntesis y su posterior transformación en productos valiosos como dimetiléter o metanol.
Lo que plantea el proyecto es la integración energética optimizada de un novedoso proceso de conversión termoquímica de CO2 y H2O en un solo paso, gracias a unos catalizadores altamente selectivos, una membrana compuesta de doble fase y una planta termosolar concentrada que satisface la demanda de energía térmica. Por ello, la investigación persigue la fabricación de membranas cerámicas optimizadas mediante fabricación aditiva para aumentar la superficie efectiva de la membrana en el reactor. Con esto se consiguen dos ventajas futuras, permitiendo un funcionamiento prolongado y flexible al cambiar sin problemas entre dos casos operativos: 1) un enfoque puramente solar a 1500°C y 2) un enfoque basado en biogás a 900°C. Finalmente, los principales resultados de ‘Sommer’ una vez cumplidos estos cuatros años de duración son “la demostración experimental y la evaluación de la innovadora tecnología de membranas alimentada por energía solar. Además, se centra en el desarrollo de membranas rentables y de alto rendimiento como componentes fundamentales, elevando la tecnología a nuevas cotas”.
Quién forma parte del consorcio
Está formado por expertos de las principales instituciones de investigación e industrias en tecnología de membranas, tecnología solar, ciencia de los materiales, modelización, tecnología química y catalizadores. "Cada socio desempeña un papel esencial, contribuyendo a diferentes paquetes de trabajo, fomentando la transferencia de conocimientos y creando sinergias positivas", explican en la memoria del proyecto. Un consorcio que abarca toda Europa, incluidos los países del 'cinturón solar' (España, Grecia), lo que garantiza la adecuada difusión de los resultados del proyecto. Además del ITQ (UPV-CSIC), participan en el proyecto los centros de investigación alemanes German Aerospace Center (DLR), y Forschungszentrum Jülich (FZJ) y el centro catalán IREC.
Por su parte, los componentes principales de esta tecnología solar provienen de empresas europeas, lo que la convierte en una tecnología robusta. Las empresas participantes en el proyecto (hte, BASF, TITAN y Haldenwanger) comparten su experiencia para impulsar la escalabilidad de la tecnología, de modo que pueda transferirse de la investigación a la industria lo antes posible. “Los socios de investigación del proyecto (DLR, FZJ, CSIC, IREC) y los socios industriales están preparados para impulsar la producción sostenible de gas de síntesis mediante membranas”.
Avances significativos
Desde que se inició el proyecto a finales de 2023, las empresas y centros de investigación que conforman el proyecto se han reunido para analizar los avances realizados en la investigación y llevar a cabo el seguimiento de los hitos establecidos. Recientemente, en el mes de mayo en concreto, el ITQ (UPV-CSIC) reunió en Valencia al consorcio en el mes 18 del proyecto. Durante dos días, los participantes de socios de investigación e industria se reunieron para revisar el progreso, intercambiar ideas y debatir para fortalecer la colaboración, y coordinar los siguientes pasos. La reunión contó con una presentación exhaustiva de los líderes de los paquetes de trabajo y de las tareas, quienes mostraron los avances de sus equipos en los paquetes de trabajo del proyecto.
Las actualizaciones clave fueron:
• Selección y prueba de materiales para la fabricación de membranas
• Actividades de simulación entran en su fase final
• Presentación del concepto de reactor solar
Y es que el proyecto ‘Sommer’ ha logrado avances significativos en los últimos meses, impulsando el desarrollo de tecnologías de membrana para la producción sostenible de gas de síntesis. Por ejemplo, Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH, uno de los socios industriales del proyecto, ha desarrollado nuevas rutas de fabricación para materiales avanzados que son esenciales para la membrana cerámica del reactor. En estrecha colaboración con el Forschungszentrum (FZ) de Jülich, Haldenwanger está probando diferentes sistemas de materiales para condiciones de reactor a 900ºC y 1500ºC. Su objetivo es adaptar las rutas de fabricación establecidas para materiales de membrana prometedores. La forma final de la membrana cerámica será tubular.
El primer material prometedor para operar a 1500ºC es el CaO-FSZ, seleccionado como material de soporte debido a su demostrada alta resistencia térmica. Haldenwanger ha desarrollado una ruta de extrusión para este sistema de materiales. En la extrusión, el material se empuja continuamente a través de una matriz (una abertura moldeada) y se endurece al salir de ella, ya sea por enfriamiento o por una reacción química.
El reto clave reside en optimizar la formulación para garantizar la homogeneidad y las propiedades reológicas adecuadas (es decir, el flujo y la deformación del material), a la vez que se ajustan con precisión los parámetros del sistema de extrusión. Al incorporar una fase de formación de poros por combustión en la formulación, el equipo del proyecto logró crear tubos con una porosidad personalizada tras el proceso de cocción. Haldenwanger ha fabricado diversas estructuras porosas ajustando el tamaño, la morfología y la cantidad de la fase de formación de poros. FZ Jülich, por su parte, utilizará ahora estos tubos porosos como material de soporte para una capa funcional densa recubierta por inmersión para diseñar una membrana asimétrica.
En cuanto al segundo enfoque para el reactor solar, éste consiste en desarrollar una membrana delgada y densa. Para ello, la ferrita de titanato de estroncio (STF) ha demostrado prometedoras propiedades catalíticas y de transporte de oxígeno para operar a 900ºC. Como parte de la colaboración entre la ciencia y la industria en el proyecto SOMMER, científicos y técnicos de Haldenwanger y FZ Jülich colaboran en los laboratorios de Haldenwanger para desarrollar un método de colada por barbotina (mediante moldes) para la fabricación de tubos STF. Como resultado del primer taller, el equipo logró producir con éxito tubos STF de 200 mm de longitud. Los próximos pasos se centrarán en la optimización del espesor de pared, la resistencia mecánica y el proceso de sinterización, el paso crítico para compactar y formar una masa sólida de material.
Los próximos meses
Este proyecto europeo está planificado como un proyecto de 48 meses de duración, que consta de cinco paquetes de trabajo de investigación/innovación, en los que se abordan las actividades técnicas necesarias para el desarrollo de las ideas innovadoras del proyecto. Además, hay un paquete de trabajo dedicado a la gestión, coordinación y difusión, que incluye acciones para la explotación de los resultados del proyecto. A pesar de los diferentes paquetes de trabajo intermedios, todas las investigaciones conducen en última instancia a una demostración de prueba de concepto de la tecnología en el paquete de trabajo final, lo que hace que este paquete de trabajo sea especialmente crucial.
Actualmente se está trabajando en el segundo paquete de trabajo basado en el desarrollo y la evolución de la membrana, que incluye la selección de materiales de membrana y catalizador adecuados para altas temperaturas (aproximadamente 1500°C) y temperaturas intermedias (alrededor de 900°C). Las actividades de este paquete –que se están llevando a cabo en el ITQ (UPV-CSIC)– abarcan la selección de materiales, la funcionalización de superficies, la síntesis y el análisis a escala de laboratorio. Los materiales preseleccionados se someten a una evaluación experimental para comprobar su viabilidad en las condiciones del reactor solar. Por último, los componentes finales se producen y prueban en el grupo de trabajo final.
