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Este proyecto europeo establece una ruta radicalmente diferente a las basadas en el uso de biomasa o de petróleo para la síntesis de hidrocarburos líquidos, utilizando únicamente recursos abundantes como agua, CO2 previamente capturado de la atmósfera y energía solar concentrada.
El sector de la aviación presenta un crecimiento sostenido en sus emisiones de CO2 motivado por el importante aumento del número de pasajeros y kilómetros recorridos, del orden del 5% anual. Con este notable incremento, las reducciones de un 1,5% que recientemente se han conseguido en el consumo específico anual de combustible, gracias a las mejoras tecnológicas en los aviones, no son suficientes para reducir o al menos estabilizar las emisiones en las próximas décadas. A diferencia de los coches, los aviones son muy sensibles al peso, lo que introduce importantes limitaciones en la energía que pueden llevar almacenada. Por este motivo, los aviones de largo recorrido seguirán en el futuro teniendo que utilizar combustibles líquidos basados en hidrocarburos. Sin embargo, la industria de la aviación se ha adherido a los programas de reducción de emisiones y se ha fijado importantes objetivos. Tomando como punto de partida el año 2020, se pretende mantener un crecimiento neutro en carbono y llegar incluso en el año 2050 a reducir en un 50% las emisiones de CO2, con respecto a las del año 2005. Resulta indudable, que se debe abordar sin demora la introducción de combustibles sintéticos alternativos en las aeronaves que presenten una tasa de emisiones de CO2 específicas muy inferior a la de los combustibles convencionales.
El proyecto europeo H2020 SUN-to-LIQUID (http://www.sun-to-liquid.eu/) aborda este reto, estableciendo una ruta radicalmente diferente a las basadas en el uso de biomasa o de petróleo para la síntesis de hidrocarburos líquidos, utilizando únicamente recursos abundantes como agua, CO2 previamente capturado de la atmósfera y energía solar concentrada. Para ello se utiliza un sistema de concentración solar que promueve un ciclo de reducción-oxidación termoquímica que tiene lugar en un reactor solar a altas temperaturas y utilizando para ello todo el espectro solar. En dicho reactor solar se genera gas de síntesis que posteriormente es enviado a un reactor Fischer-Tropsch para la producción del hidrocarburo líquido (Figura 1). De este modo se consigue integrar de manera termodinámicamente favorable todo el proceso y conseguir una alta eficiencia energética en la conversión y la expectativa de una competitividad económica.
El proyecto comenzó en enero de 2016 y finalizará el 31 de diciembre de 2019, estando formado el consorcio por Bauhaus Luftfahrt (coordinador), ETH Zúrich, IMDEA Energía, DLR, HyGear. Abengoa Energía y Arttic. Durante su ejecución se ha conseguido en un plazo de tan sólo dos años construir y comisionar una instalación experimental que ha permitido demostrar de manera integrada todo el proceso. La instalación se encuentra ubicada en una parcela de 2.500 m2 cedida por el Ayuntamiento de Móstoles y adyacente a la sede del Instituto IMDEA Energía, en el Parque Tecnológico de Móstoles (Figura 2). La instalación SUN-to-LIQUID consta de tres sistemas principales: i) un concentrador solar de 250 kW diseñado específicamente para alcanzar altos flujos pico de radiación, por encima de 3.000 kW/m2 sobre la apertura del reactor químico, lo cual excede notablemente los valores típicos de flujo utilizados en centrales termosolares comerciales para producción de electricidad (1.000 kW/m2), ii) un reactor termoquímico solarizado de 50 kW que produce gas de síntesis (mezcla de H2 y CO en una proporción 2,2/1), a partir de H2O y CO2 mediante el uso de un material de óxido de cerio que es sometido a ciclos continuados de reducción y oxidación, y iii) una planta de conversión de gas a liquido (GtL), que incluye un compresor, un sistema de almacenamiento del gas de síntesis y un reactor Fischer-Tropsch (FT).
El campo de helióstatos, ha sido diseñado por IMDEA Energía, y consta de 169 unidades de pequeña superficie (3 m2). Los espejos han sido curvados esféricamente y tienen la particularidad de poseer distancias focales muy cortas (entre 20 y 30 m), lo que permite alcanzar picos de concentración solar muy elevados sobre la superficie del reactor, pudiendo proporcionar por encima de 50 kW sobre una apertura de captación de solamente 16 cm de diámetro. De este modo se pueden alcanzar durante la operación temperaturas por encima de 1.500 ºC, que son necesarias para llevar a cabo la reducción no estequiométrica del óxido de cerio (Ceria).
La radiación solar concentrada penetra en el interior de la cavidad del reactor que se encuentra ubicado en la parte superior de una torre de 18 m de altura. El material de Ceria se encuentra dispuesto en forma de ladrillos porosos reticulados, también conocidos como RPC o Reticulated Porous Ceramic, que posee distintas escalas de porosidad. Los poros más grandes, en el rango de mm, reducen el espesor óptico del material y permiten que se produzca un calentamiento eficiente mediante la absorción volumétrica de la radiación. La Figura 3 muestra una sección del reactor y la porosidad dual en su interior. Este diseño ha sido desarrollado por ETH Zúrich en Suiza y representa el reactor solar termoquímico con más alto rendimiento térmico hasta la fecha.
El material de óxido de cerio en su estado oxidado (CeO2) es sometido a una temperatura de 1.500ºC y a una presión reducida de 10 mbar, dando lugar a la obtención de un material parcialmente reducido, CeO2-d, siendo d el grado o extensión de la reducción no estequiométrica (Figura 1, ver 1ª etapa). Posteriormente el reactor se deja de iluminar lo que provoca una reducción de temperatura por convección natural. Cuando la temperatura baja de 1.000ºC se reúnen las condiciones óptimas para llevar a cabo la segunda etapa de oxidación (Figura 1, ver 2ª etapa). En ese momento se presuriza mediante la inyección de vapor de agua y CO2. La Ceria parcialmente reducida tiende a recuperar el oxígeno perdido, lo que provoca la formación de H2 y CO, gas de síntesis que es comprimido a 20-30 bar, almacenado y posteriormente enviado al reactor FT. El material de Ceria se ha regenerado y queda preparado para iniciar un nuevo ciclo. Al producirse el O2 en la etapa de reducción se obtiene separado del gas de síntesis y puede ser convenientemente valorizado. Variando las proporciones de agua y CO2 en el reactor y la temperatura y tiempo de residencia se puede adaptar la relación H2/CO en el gas de síntesis.
Después de una fase de optimización de operación de los distintos sistemas por separado, se consiguieron realizar etapas de reducción a 50 kW en 8 minutos y etapas de oxidación de 10-12 minutos, con periodos intermedios de enfriamiento entre etapas de 30 minutos. Con estas condiciones se pudieron generar en días soleados 8-10 ciclos con producción de gas de síntesis. Cabe reseñar que en los meses de junio y julio de 2019 se han llevado a cabo varias semanas de operación rutinaria con más de 100 ciclos acumulados, y una producción de 100-150 litros de gas de síntesis por ciclo. El gas solar se caracteriza por su limpieza, siendo CO, H2 y CO2 sus únicos constituyentes. El gas almacenado se trató a un flujo de 6 litros por minuto en el reactor Fischer-Tropsch reactor, desarrollado por Hygear, a una presión de 20 bar y una temperatura de 210°C.
El proyecto SUN-to-LIQUID ha conseguido de este modo demostrar por primera vez el funcionamiento integrado de todos los sistemas de una instalación termoquímica solarizada y producir combustible líquido neutro en carbono a partir de energía solar concentrada.
Este proyecto ha recibido financiación del programa de la Unión Europea Horizonte 2020 bajo contrato No 654408. ETH Zúrich ha sido financiado por la Secretaría de Estado Suiza de Educación, Investigación e Innovación (SERI) bajo contrato No 150330.
Manuel Romero1, José González-Aguilar1, Andreas Sizmann2, Valentin Batteiger2, Christoph Falter2, Aldo Steinfeld3, Stefan Zoller3, Stefan Brendelberger4, Dick Lieftink5
1 IMDEA Energía, Avda. Ramón de la Sagra 3, 28935 Móstoles, España
2 Bauhaus Luftfahrt, Willy-Messerschmitt-Straße 1, 82024 Taufkirchen, Alemania
3 ETH Zürich, Sonneggstr Zürich, Suiza
4 Centro Aerospacial Alemán (DLR), Linder Höhe, 51147 Colonia, Alemania
5 HyGear, P.O. Box 5280, 6802 EG Arnhem, Países Bajos
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